DE10030497A1 - Axialventilator mit reversierbarer Strömungsrichtung - Google Patents

Abstract

Ein Axialventilator mit reversierbarer Strömungsrichtung besteht aus einem durch einen drehzahlgeregelten Antriebsmotor (14) angetriebenen Laufrad (11), das mit um eine Drehachse verstellbaren Laufschaufeln (13) versehen ist. Dem Laufrad (11) ist ein Vorleitrad (15) vorgeschaltet und ein Nachleitrad (16) nachgeschaltet, die mit Leitschaufeln (17, 18) versehen sind. Die Leitschaufeln (17, 18) des Vorleitrades (15) und des Nachleitrades (16) sind spiegelsymmetrisch zu der radialen Mittelebene des Laufrades (11) ausgebildet und in einem Winkel zu der Strömungsrichtung derart anstellbar, dass bei einer Strömungsumkehr das Vorleitrad (15) die Funktion des Nachleitrades und das Lachleitrad (16) die Funktion des Vorleitrades übernimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialventilator mit reversierbarer Strömungsrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Moderne Axialventilatoren sind regelbare und leistungsoptimierte Arbeitsmaschinen, die mechanische Energie in Strömungsenergie umwandeln. Die Regelbarkeit bezieht sich auf die Einstellbarkeit der Drehzahl des Laufrades und die Möglichkeit der Veränderung des Anstellwinkels der Laufschaufel mit dem Ziel der Anpassung der Steilheit des Auftriebes an die aktuelle Drehzahl und Förderleistung.

Ventilatorwirkungsgrade um 90% stellen sicher, dass die Betriebskosten auf ein Minimum zurückgehen. Doch nicht nur die Wirkungsgrade im Auslegungspunkt sind maßgebend, sondern auch der Wirkungsgrad des Ventilators im Teillastgebiet ist häufig von ausschlaggebender Bedeutung. Die günstigste Art der Regelung des Ventilators wird durch ein Verändern der Drehzahl des Laufrades erreicht.

Die Regelung der Drehzahl ist jedoch nur sinnvoll, wenn alle Betriebspunkte in der Nähe der energetisch optimalen Anlagenkennlinie liegen. Ändert sich anlagenbedingt (z. B. durch Vordruck des Systems, Parallelbetrieb mit anderen Ventilatoren oder Ähnliches) die Lage der Betriebspunkte von der energetisch optimalen Anlagenkennlinie, ist es sinnvoll, neben der Drehzahländerung auch den Anstellwinkel der Laufschaufeln zu ändern, um zu hohen Teillastwirkungsgraden zu gelangen. Zu diesem Zweck sind die Laufschaufeln des Laufrades um eine Drehachse verstellbar ausgeführt. Das Laufrad kann auch mit einem Nachlaufrad kombiniert werden, das die kinetische Energie bestehender Drallkomponenten in statischen Druck umwandelt. Durch ein entsprechend an das Laufrad angepasstes Nachleitrad wird die aerodynamische Effektivität wesentlich gesteigert. Weiterhin besteht bei einem Ventilator auch die Möglichkeit, ein Vorleitrad zu installieren. Ein Vorleitrad bewirkt eine Veränderung der nutzbaren Druckerhöhung des Ventilators. Entsprechend dem erzeugten Drall (Gegendrall oder Mitdrall) vor dem Laufrad wird die Ventilatorkennlinie angehoben oder abgesenkt.

Sind die gattungsgemäßen Axialventilatoren z. B. zur Tunnelbelüftung eingesetzt, so kann eine der Aufgaben des Ventilators darin bestehen, zumindest zeitweise eine Richtungsumkehr des Luftstromes zu bewirken. Dies trifft für den Brandfall zu, wenn die Brandgase entgegen der betriebsmäßigen Förderrichtung zu dem näher gelegenen Tunnelausgang gefördert werden sollen. Um eine Richtungsumkehr des Luftstromes zu erreichen, ist es bekannt, die drehbaren Laufschaufeln des Laufrades so weit zu drehen, dass die gewünschte Strömungsumkehr eintritt. Damit ist aber verbunden, dass die erreichbare Effektivität in dieser Betriebsform drastisch sinkt, weil ein eventuell vorhandenes Nachleitrad nach erfolgter Strömungsumkehr als nun falsch angeordnetes "Vorleitrad" die Zuströmungsbedingungen zu dem Laufrad empfindlich stören würde. Sowohl die aerodynamische Leistung als auch der Energieverbrauch in Bezug auf die geförderte Luftmenge zeigen deutlich schlechtere Werte als im Normalbetrieb. Um diese Qualitätseinbuße zu umgehen, ist schon versucht worden, den gesamten Ventilator mechanisch um eine Achse senkrecht zur Drehachse des Laufrades um 180° zu drehen, wenn eine Umkehr der Förderrichtung erforderlich ist. Dies geht aber bei sinnvollem Aufwand nur mit relativ kleinen Axialventilatoren.

Eine Schubumkehr, wie von Flugzeugtriebwerken bekannt, scheidet als Lösung deshalb aus, weil bei Axialventilatoren kein energetisch sinnvoller Betrieb möglich ist. Zusätzlich wirkt sich aus, dass dabei nur kurzzeitig ein Gegenstrombetrieb aufgenommen wird, die Richtungsumkehr bei Axialventilatoren aber für längere Zeit und unter energetisch günstigen Gesichtspunkten erfolgen soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Axialventilator mit reversierbarer Strömungsrichtung so zu gestalten, dass bei vorgegebenen Volumenstrom gleiche aerodynamische Leistungen, wie hohe Druckziffer und hoher Wirkungsgrad, bei einem Betrieb in beiden Richtungen ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Axialventilator erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Verwendung eines Vorleitrades und eines Nachleitrades sowie durch die Gestaltung und die Verstellmöglichkeit der Leitschaufeln dieser Leiträder wird es möglich, bei einer Strömungsumkehr die Funktionsweise des Vorleitrades und des Nachleitrades gegeneinander zu vertauschen. Die Leitschaufeln sind dabei ebenso wie Laufschaufeln des Laufrades so anstellbar, dass sie je nach den aktuellen Erfordernissen in die optimale Stellung gebracht werden können. Nach der Umkehr des Luftstromes durch eine Verstellung der Drehrichtung des Laufrades und/oder der Laufschaufeln ist ein Betrieb des Axialventilators in beiden Strömungsrichtungen in der Weise möglich, dass der Energieverbrauch für gleiche Luftbewegungen in beiden Strömungsrichtungen gleich ist und nahe dem für Axialventilatoren für nur eine Richtung ohne Umkehrmöglichkeit liegt.

Für den vorgesehenen Einsatzfall des erfindungsgemäßen Axialventilators kommt es darauf an, ein verstellbares Nachleitrad zu verwenden. Aus diesem Grund wird bei diesem Axialventilator dem Laufrad ein verstellbares Vorleitrad vorgeschaltet, das bei einer Strömungsumkehr die Funktion des Nachleitrades übernehmen kann, ohne dass die Fähigkeit des Vorlaufrades, die Druckerhöhung zu verändern, notwendig wäre.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt durch eine Ventilatoranordnung und

Fig. 2 die Draufsicht auf ein Laufrad und zwei Leiträder.

Die Ventilatoranordnung besteht aus einem Ventilatorgehäuse 1, das auf der einen Seite über einen Ansaugstutzen 2 mit einem Ansaugkasten 3 und auf der anderen Seite über einen Ausblasestutzen 4 mit einem Ausblasekasten 5 verbunden ist. Innerhalb des Ventilatorgehäuses 1 ist in einem Abstand von der Gehäusewand und unter Bildung eines Strömungskanales 6 ein Axialventilator abgestützt.

Der Axialventilator enthält eine Nabe 7 mit einem stromlinienförmigen Anströmteil 8, einem zylindrischen Mittelteil 9 und einem stromlinienförmigen Abströmteil 10. Innerhalb des zylindrischen Mittelteiles 9 der Nabe 7 ist ein Laufrad 11 angeordnet. Das Laufrad 11 besteht aus einer Laufradnabe 12, die mit dem zylindrischen Mittelteil 9 der Nabe 7 fluchtet.

Das Laufrad 11 ist auf seinem Umfang mit Laufschaufeln 13 bestückt. Die Laufschaufeln 13 sind um eine Drehachse verdrehbar, die radial zu dem Laufrad 11 verläuft. Die Verstellung der Laufschaufeln 13 erfolgt während des Betriebes oder im Stillstand über einen mechanischen, elektrischen oder hydraulischen Stellantrieb.

Wie aus der Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Laufschaufeln 13 in Bezug auf die Drehachse spiegelsymmetrisch ausgebildet. Über den Stellantrieb lassen sich die Laufschaufeln 13 so weit verdrehen, dass entsprechend dem Kennlinienfeld für alle Durchsatzmengen und Betriebszustände optimale Wirkungsgrade erreicht werden.

Aufgrund der spiegelsymmetrischen Gestaltung können die Laufschaufeln 13 auch so verdreht werden, dass eine Strömungsumkehr eintritt. In diesem Fall wird der Ansaugstutzen 2 zum Ausblasestutzen und der Ausblasestutzen 4 zum Ansaugstutzen. Eine solche Strömungsumkehr ist beispielsweise bei dem Einsatz des Axialventilators in der Belüftung eines Tunnels erwünscht, wenn in einem Brandfall die Brandgase zu einem bestimmten Luftschacht oder zu dem näher gelegenen Luftschacht oder Tunnelausgang gefördert werden sollen.

Der Antrieb des Laufrades 11 erfolgt über einen Antriebsmotor 14, der als Einbaumotor innerhalb der Nabe 7 angeordnet ist. Der Antriebsmotor 14 ist als Asynchronmotor ausgebildet und mit einer Drehzahlregelung versehen. Die Drehzahlregelung dient ebenfalls zur Einstellung optimaler Wirkungsgrade bei unterschiedlichen Betriebszuständen. Durch eine einfache Umschaltung lässt sich die Drehrichtung des Asynchronmotors umkehren. Mit dem Asynchronmotor ändert sich auch die Drehrichtung des Laufrades 11, so dass mit der Verstellung der Laufschaufeln 13 auch auf diese Weise eine Umkehrung der Strömungsrichtung erreicht wird.

Innerhalb des Ventilatorgehäuses 1 ist dem Laufrad 11 ein feststehendes Vorleitrad 15 vorgeschaltet und ein feststehendes Nachleitrad 16 nachgeschaltet. Beide Zeiträder 15, 16 sind mit Leitschaufeln 17, 18 versehen, die vorzugsweise gekrümmt sind. Die Krümmung kann dadurch zustande kommen, dass die Leitschaufeln 17, 18 aus geraden Teilstücken bestehen, die unter einem stumpfen Winkel aneinander stoßen. Die Leitschaufeln 17 des Vorleitrades 15 sind spiegelsymmetrisch zu den Leitschaufeln 18 des Nachleitrades 16 ausgebildet, wobei die radiale Mittelebene des Laufrades 11 die Symmetrieebene bildet.

Die Leitschaufeln 17, 18 des Vorleitrades 15 und des Nachleitrades 16 sind um eine Drehachse 19 verdrehbar gelagert. Sie sind aufgrund dieser Lagerung unter einem Winkel zur Strömungsrichtung anstellbar. Die Anstellung der Leitschaufeln 17, 18 erfolgt mechanisch oder elektrisch gegen die Federkraft einer Rückholfeder 20 über einen Stellhebel 21, der an der Drehachse 19 angreift. Der Stellhebel 21 ist an dem Ventilatorgehäuse 1 abgestützt. Die Anstellung der Leitschaufeln 17, 18 dient ebenso wie die Verdrehung der Laufschaufeln 13 dazu, optimale Wirkungsgrade einzustellen.

In einer besonderen Ausführungsform bestehen die Leitschaufeln 17, 18 aus einem feststehenden Abschnitt 22 und aus einem verstellbaren Abschnitt 23. Die Trennebene der beiden Abschnitte 22, 23 der Leitschaufeln 17, 18 liegt in der Ebene der Leitschaufeln 17, 18 entlang der Drehachse 19. Die verstellbaren Abschnitte 23 der Leitschaufeln 17, 18 sind jeweils dem Laufrad 11 zugewandt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Stellung der Laufschaufeln 13 erzeugt der Axialventilator mit einer Drehrichtung gemäß Pfeil 25 einem Luftstrom in der durch den Pfeil 24 angegebenen Strömungsrichtung. Dabei nehmen die Leitschaufeln 17, 18 von Vorleitrad 15 und Nachleitrad 16 eine Stellung ein, die durch den ausgezogenen Linienzug wiedergegeben ist. Wird die Strömungsrichtung durch eine Umschaltung des Asynchronmotors und durch eine entsprechende Verdrehung der Laufschaufeln 13 umgekehrt, so werden die Leitschaufeln verstellt und nehmen eine Stellung ein, die in der Fig. 2 durch den gestrichelten Linienzug angedeutet ist. In diesem Fall übernimmt das Vorleitrad 15 die Funktion eines Nachleitrades und das Nachleitrad 16 die Funktion eines Vorleitrades. In beiden Strömungsrichtungen ist durch eine entsprechende Anstellung der Leitschaufeln 17, 18 ein optimaler Betrieb des Axialventilators möglich.

Claims (6)

1. Axialventilator mit reversierbarer Strömungsrichtung bestehend aus einem durch einen drehzahlgeregelten Antriebsmotor (14) angetriebenen Laufrad (11), das mit um eine Drehachse verstellbaren Laufschaufeln (13) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laufrad (11) ein Vorleitrad (15) vorgeschaltet und ein Nachleitrad (16) nachgeschaltet ist, die mit Leitschaufeln (17, 18) versehen sind, dass die Leitschaufeln (17, 18) des Vorleitrades (15) und des Nachleitrades (16) spiegelsymmetrisch zu der radialen Mittelebene des Laufrades (11) ausgebildet sind und dass die Leitschaufeln (17, 18) in einem Winkel zu der Strömungsrichtung derart anstellbar sind, dass bei einer Strömungsumkehr das Vorleitrad (15) die Funktion des Nachleitrades und das Nachleitrad (16) die Funktion des Vorleitrades übernimmt.

2. Axialventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (17, 18) des Vorleitrades (15) und des Nachleitrades (16) gekrümmt sind.

3. Axialventilator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (17, 18) des Vorleitrades (15) und des Nachleitrades (16) jeweils aus einen feststehenden Abschnitt (22) und aus einem um eine Drehachse (19) verstellbaren Abschnitt (23) bestehen, dass der verstellbare Abschnitt (23) der Leitschaufeln (17, 18) dem Laufrad (11) zugewandt ist und dass die Drehachse (19) in der Leitschaufelebene entlang der Trennungslinie zwischen dem feststehenden und dem verstellbaren Abschnitt (22, 23) der Leitschaufeln (17, 18) verläuft.

4. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (17, 18) des Vorleitrades (15) und des Nachleitrades (16) um einen solchen Winkel anstellbar sind, dass für beide Strömungsrichtungen optimale Betriebszustände erreichbar sind.

5. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (13) des Laufrades (11) zu ihrer Drehachse spiegelsymmetrisch ausgebildet und um einen solchen Drehwinkel verstellbar sind, dass optimale Betriebszustände und/oder eine Strömungsumkehr erreichbar sind.

6. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (14) des Laufrades (11) ein Asynchronmotor mit umkehrbarer Drehrichtung ist.