DE102009022181A1

DE102009022181A1 - Ventilatorschaufel

Info

Publication number: DE102009022181A1
Application number: DE102009022181A
Authority: DE
Inventors: Henrik Dr. Witt
Original assignee: W & S Man & Co KG GmbH; W & S Management & Co KG GmbH
Current assignee: W & S Man & Co KG GmbH; W & S Management & Co KG GmbH
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-11-25
Also published as: ES2733090T3; AU2010251465A1; KR20120042749A; US20120063906A1; EP2433014B1; KR20170081754A; TR201908892T4; AU2010251465B2; US9869325B2; KR101938349B1; PL2433014T3; EP2433014A1; CN102439320A; PT2433014T; WO2010133354A1; DK2433014T3

Abstract

Um eine Ventilatorschaufel (6), insbesondere für Entrauchungsventilatoren, mit Befestigungsmitteln (5) zum Befestigen der Ventilatorschaufel (6) an einer Ventilatornabe sowie mit einem Schaufelabschnitt (7), hinsichtlich Materialeinsatz und Masse zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass der Schaufelabschnitt (7) einen einen Hohlraum einschließenden Außenmantel (8) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilatorschaufel, insbesondere für Entrauchungsventilatoren, mit Befestigungsmitteln zum Befestigen der Ventilatorschaufel an einer Ventilatornabe sowie mit einem Schaufelabschnitt.
Ventilatoren für U-Bahn oder Tunnel und/oder geschlossene Fahrzeuggebäude wie z. B. Tiefgaragen müssen über sehr lange Standzeiten bei unterschiedlichsten Last- und Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten. Typisch ist die Installation von Ventilatoren in U-Bahnen oder Tunneln oder Tiefgaragen für einen Betrieb über mehrere Jahre oder Jahrzehnte ausgelegt. Insbesondere beim Einsatz von Ventilatoren als Entrauchungsventilator in U-Bahnen oder Tunneln bestehen seitens des Metro- oder Tunnelbetreibers Anforderungen an die Betreibbarkeit des Ventilators bei hohen Temperaturen, wie sie insbesondere in Brandfällen auftreten. Die Anforderungen sind zum Teil gesetzlich vorgegeben. Andererseits besteht, wie allgemein üblich, das Bestreben, Ventilatoren möglichst günstig und materialsparend herzustellen.
Allgemein bestehen Ventilatoren ihrem Grundaufbau nach aus einer Ventilatornabe, an welcher radial eine Anzahl Ventilatorschaufeln angebracht ist. Die Befestigung der Ventilatorschaufeln erfolgt anhand von Befestigungsmitteln wie z. B. Bolzen.
Vor dem Hintergrund der geschilderten allgemeinen Anforderungen an Ventilatoren sind unterschiedliche Ventilatorschaufeln denkbar. Um die Masse gering zu halten, können Ventilatorschaufeln massiv aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt werden. Nachteilig an aus Aluminium gefertigten Ventilatorschaufeln ist jedoch deren begrenzte Einsetzbarkeit bei Temperaturen oberhalb etwa 300°C. Denn die Zugfestigkeit von Aluminium nimmt bei den genannten Temperaturen stark ab, so dass das Aluminium allmählich zu fließen beginnt. Selbst spezielle Aluminium-Legierungenvermögen diese Unzulänglichkeit nicht wesentlich zu verbessern. Als Folge dieser nachteiligen Eigenschaft von Aluminium können Ventilatorschaufeln bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei Bränden auftreten können, ihre Form und/oder Länge verändern, um so einen bestimmungsgemäßen Gebrauch bei Bränden stark zu beeinträchtigen oder gar unmöglich zu machen.
Aufgrund dieser Unzulänglichkeit von aus Aluminium gefertigten Ventilatorschaufeln werden im Stand der Technik für Entrauchungsventilatoren bei hohen Belastungen, also bei hohen Drehzahlen und/oder bei großen Schaufellängen, massiv aus Stahl gefertigte Ventilatorschaufeln verwendet. Ventilatorschaufeln aus Stahl haben jedoch den Nachteil, eine sehr hohe Masse zu haben und wegen des großen Materialeinsatzes teuer in der Herstellung zu sein.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventilatorschaufel der eingangs genannten Art anzugeben, welche auch bei hohen Temperaturen, wie sie z. B. bei Tunnelbränden auftreten können, ohne Einschränkung einsetzbar sind, ohne dabei eine unerwünscht hohe Masse aufzuweisen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Ventilatorschaufel der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Schaufelabschnitt einen Hohlraum einschließenden Außenmantel aufweist. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der Schaufelabschnitt der Ventilatorschaufel nicht durchgehend massiv ist, wie im Stand der Technik. Dadurch ergibt sich unmittelbar eine Material- und Masseneinsparung.
Um die Stabilität der erfindungsgemäßen Ventilatorschaufel, insbesondere deren Zugfestigkeit, zu verbessern, kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung in dem Hohlraum ein Trägerelement angeordnet sein.
Insbesondere ist in weiterer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Trägerelement einteilig mit den Befestigungsmitteln ausgeformt. Auf diese Weise kann die Einheit aus den Befestigungsmitteln und dem im Hohlraum des Schaufelabschnitts angeordneten Trägerelement mit Vorteil im Betrieb alle Zugkräfte aufnehmen. Der Außenmantel des Schaufelabschnitts erfüllt gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung dieser Erfindung überwiegend aerodynamische Funktionen. Mit Vorteil kann auf diese Weise ein für die Zwecke der zugfesten Befestigung der Ventilatorschaufel an der Ventilatornabe optimierter Werkstoff ausgewählt werden und gleichzeitig kann, unabhängig davon, ein für die aerodynamische Formgebung der Ventilatorschaufel optimierter Werkstoff gewählt werden. Insbesondere kann mit Vorteil das Trägerelement aus einem Werkstoff mit hoher WarmzugfestigkeitWarmzugfestigkeit und gutem Zeitstandverhalten bei hohen Temperaturen gewählt werden. Erfindungsgemäß kann gleichzeitig ein leichter Außenmantel der Ventilatorschaufel, beispielsweise aus einer geeigneten Stahllegierung, gewählt werden, ohne dass dadurch die Festigkeit der Ventilatorschaufeln insgesamt beeinträchtigt wird. Im Rahmen der Erfindung können aber auch andere Werkstoffe oder Legierungen, beispielsweise auf Basis von Titan, verwendet werden.
Wenn das Trägerelement im Wesentlichen aus einer Stahllegierung und/oder einer Titanlegierung hergestellt ist, ergibt sich in besonders günstiger Ausgestaltung der Erfindung der Vorteil, dass die Warmzugfestigkeit und das Zeitstandverhalten der Ventilatorschaufel besonders groß sind. Dies ist insbesondere bei Stahllegierungen der Fall. Denn die Warmzugfestigkeit und das Zeitstandverhalten von Stahl sind auch bei Temperaturen oberhalb von beispielsweise 300°C ausgezeichnet. Insbesondere ist die Warmzugfestigkeit bei den genannten Temperaturen wesentlich besser als jene von Aluminium.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Trägerelement modular aus mehreren, insbesondere miteinander durch eine Steckverbindung verbindbaren, Einzelelementen ausgestaltet sein. Der modulare Aufbau des Trägerelements ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung basierend auf standardisierten Einzelbauteilen, welche an unterschiedliche Ventilatortypen anpassbar sind. Der modulare Aufbau ermöglicht zudem fertigungstechnisch den Einsatz standardisierter Bauteile für unterschiedlichste Ventilatorschaufeln, insbesondere hinsichtlich der Länge.
Besonders günstig ist es in anderer Ausgestaltung der Erfindung, wenn das Trägerelement eine oder mehrere an eine Form des Außenmantels angepasste Profilsehnen aufweist. Eine Profilform der Ventilatorschaufel lässt sich auf diese Weise fertigungstechnisch durch formschlüssiges Anbiegen des Außenmantels an die Profilsehnen realisieren. Eine Beibehaltung des aerodynamischen Profils der Ventilatorschaufel auch bei hohen Temperaturen ist daher mit Vorteil sichergestellt.
In anderer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Hohlraum mit einer schaumartigen Füllmasse ausgestaltet. Die schaumartige Füllmasse sollte zweckmäßiger Weise eine geringe Masse bzw. Dichte aufweisen. Mit Vorteil kann der Außenmantel zur Beibehaltung des aerodynamischen Profils auf diese Weise durch die schaumartige Füllmasse erfindungsgemäß abgestützt sein. Ein Verbeulen des Außenmantels in Bereichen beispielsweise zwischen Profilsehnen des Trägerelements wird daher wirksam vermieden. Dadurch, dass der Hohlraum mit einer schaumartigen Füllmasse ausgefüllt ist, wird zudem mit Vorteil vermieden, dass sich Flüssigkeiten in dem Hohlraum ansammeln. Die Ansammlung von Flüssigkeiten in dem Hohlraum würde die effektive Masse der Ventilatorschaufel in unerwünschte Weise erhöhen. Ferner besteht beim Einbringen von Wasser in den Hohlraum die Gefahr von Korrosion. Außerdem werden das Schwingverhalten und die Dämpfung der Schaufel durch das Ausschäumen verbessert. All dies wird wirksam durch das Ausfüllen des Hohlraums mit der schaumartigen Füllmasse unterbunden. Als Füllmasse hat sich insbesondere ein aus zwei Komponenten anrührbarer Schaum geeignet gezeigt.
Wenn der Außenmantel in anderer Ausgestaltung der Erfindung mit mindestens einer Durchbohrung in den Hohlraum hinein versehen ist, ergibt sich eine weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung. Sofern die Bohrung am radial äußeren Ende der Ventilatorschaufel angebracht ist, wird etwaige in den Hohlraum eingetretene Flüssigkeit im Betrieb durch die Fliehkraft aus dem Hohlraum herausgetragen. Eine unerwünschte Erhöhung der Masse der Ventilatorschaufel durch im Innenraum akkumuliertes Kondensat und eine erhöhte Korrosionsgefahr werden dadurch mit Vorteil vermieden. Das Anbringen einer Bohrung an dem radial inneren Ende der Ventilatorschaufel ermöglicht insbesondere eine Überprüfung von inneren Schweißnähten, etwa durch endoskopische Verfahren. Dies ist von Vorteil, wenn eine Verschweißung des Außenmantels mit dem Trägerelement vorhanden ist.
Eine andere günstige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Außenmantel hohlraumseitig mit einem Korrosionsschutz versehen ist und/oder im wesentlichen aus einer Stahllegierung hergestellt ist. Beide Maßnahmen, allein oder in Kombination, bewirken eine deutliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Außenmantels. Dies wiederum ermöglicht es die Auslegung des Außenmantels dünnwandig vorzunehmen. Z. B. kann eine Materialstärke des Außenmantels von 1 mm ausreichen.
In anderer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Außenmantel aus zwei oder mehr miteinander verbundenen plattenartigen Mantelelementen.
Insbesondere die Torsionsfestigkeit der erfindungsgemäßen Ventilatorschaufel wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung verbessert, wenn der Außenmantel außen mit Versteifungselementen zur Versteifung der Ventilatorschaufel (6) versehen ist.
Die Versteifungsmittel können in anderer Ausgestaltung der Erfindung an einer Druckseite und/oder an einer Unterdruckseite des Außenmantels angeordnet sein. Beispielsweise können die Versteifungsmittel an der Unterdruckseite stärker ausgeprägt sein als an der Überdruckseite.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform mit der Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit den selben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1: Trägerelement für eine erfindungsgemäße Ventilatorschaufel in einer perspektivischen Ansicht;
2: erfindungsgemäße Ventilatorschaufel (a) in einer Axialsicht und (b) in einer radialen Schnittansicht;
3: erfindungsgemäße Ventilatorschaufel in einer alternativen Ausgestaltung, die Ansichten entsprechen jenen der 2.
In 1 ist ein Stahlträgergerüst 1 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Das Stahlträgergerüst 1 ist aufgebaut aus insgesamt drei Profilsehnen 2. Die Profilsehnen 2 sind über zwei Querstreben 3 miteinander durch eine Steckverbindung verbunden. Die Profilsehnen sind durch die Querstreben 3 derart miteinander verbunden, dass eine Verdrillung des Profils einer aus dem Stahlträgergerüst 1 durch Aufbringen eines Außenmantels auf Umfangskanten 4 der Profilsehne 2 gefertigten Ventilatorschaufel erzeugt wird. Die in der Figur im Vordergrund stehende Profilsehne 2 ist einteilig mit einem Befestigungsbolzen 5 verbunden. Dies ist in 1 nicht erkennbar. Der Befestigungsbolzen 5 dient zur Befestigung der Ventilatorschaufel mit dem in 1 gezeigten Stahlträgergerüst 1 in einer nicht dargestellten Ventilatornabe.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Ventilatorschaufel 6 gezeigt. Die Ventilatorschaufel 6 weist an der radialen Innenseite den Befestigungsbolzen 5 auf, der bereits im Zusammenhang mit 1 erwähnt wurde. Die Ventilatorschaufel 6 weist einen Schaufelabschnitt 7 auf. Der Schaufelabschnitt 7 besteht aus einem Außenmantel 8. Der Außenmantel 8 ist aus einer Anzahl Einzelplatten aus Stahl mit einer Materialstärke von 1 mm gefertigt. Die Stahlplatten sind auf die Umfangskanten 4 der Profilsehne 2 des Stahlträgergerüsts 1 durch Schweißen angebracht. Der Außenmantel 8 umschließt auf diese Weise einen Hohlraum. Der Hohlraum ist zum Teil mit dem Stahlträgergerüst 1 ausgefüllt. Der verbleibende Hohlraum kann mit einer Füllmasse ausgefüllt sein. Die radiale Draufsicht gemäß Teil (b) der 2 zeigt das aerodynamische Profil der Ventilatorschaufel 6 besonders deutlich. Zu erkennen ist auch, dass eine Basisplatte 9 den Schaufelabschnitt 7 von dem Befestigungsbolzen 5 trennt. Der Befestigungsbolzen 5 verläuft durch. die Basisplatte 9.
In der radialen Draufsicht gemäß 2(b) ist deutlich zu erkennen, dass das Profil des Außenmantels 8 dem Profil der Profilsehnen 2 des Stahlträgergerüsts 1 gemäß 1 entspricht. Das Stahlträgergerüst 1 ist vorzugsweise aus Stahl gefertigt. Der Außenmantel 8 kann aus einer Stahllegierung gefertigt sein.
In dem Außenmantel 8 kann radial außen eine Entwässerungsbohrung 12 angebracht sein. Außerdem kann radial innen in dem Außenmantel 8 eine Endoskopiebohrung 13 vorhanden sein.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilatorschaufel. Die Darstellung und der grundlegende Aufbau entsprechen im wesentlichen jenen der 2. Die genannte Schaufel 6 gemäß 3 ist jedoch zusätzlich mit Stützblechen 10, 11, versehen. Die Stützbleche 10, 11 stehen im wesentlichen senkrecht auf der Basisplatte 9. Andererseits stehen die Stützbleche 10, 11 mit ihrer anderen Kante im wesentlichen senkrecht auf der Fläche des Außenmantels 8. Die Stützbleche 10, 11 sind somit im wesentlichen radial orientiert, jedoch zu dem Außenmantel 8 des Schaufelabschnitt 7 im wesentlichen um 90° gedreht orientiert. Das überdruckseitige Stützblech 11 ist stärker als das unterdruckseitige Stützblech 10. Die Stützbleche 10, 11 können auch verbunden sein.
Anhand der 1 bis 3 ist somit der Aufbau einer erfindungsgemäßen Ventilatorschaufel 6 skizziert. Die erfindungsgemäße Ventilatorschaufel 6 zeichnet sich dadurch aus, dass auf einem Stahlträgergerüst 1 ein beispielsweise aus einer Stahllegierung gefertigter Außenmantel 8 angeschweißt ist. Die Schweißung erfolgt dabei entlang der Umfangskanten 4 der Profilsehnen 2 des Stahlträgergerüsts 1. Auf diese Weise umschließt der Außenmantel 8 einen Hohlraum, in welchem das Stahlträgergerüst 1 angeordnet ist. Der verbleibende Hohlraum kann erfindungsgemäß mit einem Füllstoff ausgefüllt sein. Man erhält auf die beschriebene Weise im Rahmen der Erfindung eine besonderes leichte, materialsparend herstellbare und dennoch zugfeste Ausführung einer Ventilatorschaufel.
Im Rahmen der Erfindung kann anstelle von Stahl auch eine Titanlegierung oder auch ein anderer Werkstoff verwendet werden.

1: Stahlträgergerüst
2: Profilsehne
3: Querstrebe
4: Umfangskante
5: Befestigungsbolzen
6: Ventilatorschaufel
7: Schaufelabschnitt
8: Außenmantel
9: Basisplatte
10: Stützblech
11: Stützblech
12: Entwässerungsbohrung
13: Endoskopiebohrung

Claims

Ventilatorschaufel (6), insbesondere für Entrauchungsventilatoren, mit Befestigungsmitteln (5) zum Befestigen der Ventilatorschaufel (6) an einer Ventilatornabe sowie mit einem Schaufelabschnitt (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelabschnitt (7) einen einen Hohlraum einschließenden Außenmantel (8) aufweist.
Ventilatorschaufel (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum ein Trägerelement (1) angeordnet ist.
Ventilatorschaufel (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1) einteilig mit den Befestigungsmitteln (5) ausgeformt ist.
Ventilatorschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1) im wesentlichen aus einer Stahllegierung und/oder einer Titanlegierung hergestellt ist.
Ventilatorschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1) modular aus mehreren, insbesondere miteinander durch eine Steckverbindung verbindbaren, Einzelelementen ausgestaltet ist.
Ventilatorschaufeln (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1) eine oder mehrere an eine Form des Außenmantels (8) angepaßte Profilsehne(n) (2) aufweist.
Ventilatorschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum mit einer schaumartigen Füllmasse ausgefüllt ausgestaltet ist.
Ventilatorschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (8) mit mindestens einer Durchbohrung (12, 13) in den Hohlraum hinein versehen ist.
Ventilatorschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (8) hohlraumseitig mit einem Korrosionsschutz versehen ist und/oder im wesentlichen aus einer Stahllegierung hergestellt ist.
Ventilatorschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (8) aus zwei oder mehr miteinander verbundenen plattenartigen Mantelelementen besteht.
Ventilatorschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (8) außen mit Versteifungselementen (10, 11) zur Versteifung der Ventilatorschaufel (6) versehen ist.
Ventilatorschaufel (6) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsmittel (10, 11) an einer Druckseite und/oder an einer Unterdruckseite des Außenmantels (8) angeordnet sind.