DE102014116047A1

DE102014116047A1 - Schutzgitter mit verbessertem Wirkungsgrad- und Geräuschverhalten

Info

Publication number: DE102014116047A1
Application number: DE102014116047.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Strehle; Erhard Gruber; Jens Müller; Manuel Vogel
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2016-05-04
Also published as: WO2016071014A1; US10760593B2; US20170306985A1; CN204512009U; DE202014105284U1; EP3215745B1; EP3215745A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schutzgitter für einen Ventilator mit einer Stegstruktur, die in Umfangsrichtung beabstandete Radialstege und in radialer Richtung beabstandete koaxiale Umfangsstege umfasst, wobei das Schutzgitter zumindest einen radialen Außenbereich und einen Zentralbereich um eine Mittelachse des Schutzgitters aufweist, wobei eine von dem radialen Außenbereich und dem Zentralbereich aufgespannte Hüllfläche im axialen Außenbereich konvex gekrümmt und im Zentralbereich flach, insbesondere parallel zu einer Radialebene des Schutzgitters ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft Schutzgitter als Berührschutz für die Saugseite von Ventilatoren, beispielsweise Radialventilatoren oder Diagonalventilatoren, wobei die Schutzgitter eine ebene Gitterstegstruktur gebildet aus in Umfangsrichtung beabstandeten Radialstegen und in radialer Richtung beabstandeten koaxialen Umfangsstegen aufweisen. Als Material wird üblicherweise Kunststoff oder Metall mit verhältnismäßig dicken Wandstärken verwendet, um eine ausreichende Stabilität zu gewährleisten.
Dabei ist nachteilig, dass sich bei der Ansaugung der Luft durch das Schutzgitter der statische Gesamtwirkungsgrad des Ventilators mit daran angeordnetem Schutzgitter verschlechtert und die Schallleistung insbesondere bei höheren Volumenströmen deutlich erhöht.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Schutzgitter für Ventilatoren bereit zu stellen, das an Ventilatoren befestigt gegenüber herkömmlichen Schutzgittern einen verbesserten statischen Gesamtwirkungsgrad sowie eine reduzierte Schallleistung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch ein Schutzgitter mit der Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Dabei wird erfindungsgemäß ein zumindest abschnittsweise dreidimensional in axialer Richtung gekrümmtes Schutzgitter mit Befestigungsmitteln zur Anordnung an einem Ventilator vorgeschlagen, dessen axialer Zentralbereich jedoch durch die zumindest abschnittsweise konvexe Form weiter von dem Ventilator und somit dem Ventilatorrad beabstandet ist. Das Schutzgitter weist eine Gitterstegstruktur auf, die in Umfangsrichtung beabstandete Radialstege und in radialer Richtung beabstandete koaxiale Umfangsstege umfasst, wobei das Schutzgitter zumindest einen radialen Außenbereich und einen Zentralbereich um eine Mittelachse des Schutzgitters aufweist, eine von dem radialen Außenbereich und dem Zentralbereich aufgespannte Hüllfläche im axialen Außenbereich konvex gekrümmt und im Zentralbereich flach, insbesondere parallel zu einer Radialebene des Schutzgitters ausgebildet ist.
Die durch den mit einer konvexen Hüllfläche versehenen radialen Außenbereich erzeugte gewölbte Form des Schutzgitters erhöht dessen Festigkeit und Stabilität und ermöglicht es, die Radialstege und Umfangsstege im Querschnitt dünnwandiger auszubilden. Hierdurch reduzieren sich die Anströmfläche der Stege, der durch die Stege erzeugte Strömungswiderstand und die durch die Stege bedingte Wirbelbildung, die wiederum zu Geräuschbildung führt.
In einer vorteilhaften Ausführung weisen die Radialstege und/oder die Umfangsstege einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe H und einer Wanddicke B auf, deren Verhältnis auf H/B ≥ 3, insbesondere H/B ≥ 3,5, weiter bevorzugt H/B ≥ 4 festgelegt ist. Dabei weist die die Wanddicke B bestimmende Seite der Radial- und Umfangsstege in eine bzw. entgegen der Strömungsrichtung, welche im Zentralbereich zumindest im Wesentlichen einer axialen Richtung des Schutzgitters entspricht.
Das Schutzgitter ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Zentralbereich schließt sich in einer günstigen Ausführungsvariante in radialer Richtung unmittelbar an den radialen Außenbereich an, wobei die konvex gekrümmte Hüllfläche des radialen Außenbereichs fließend in den flach ausgebildeten Zentralbereich übergeht. Diese sprunglose Ausbildung des Schutzgitters entlang dessen Hüllfläche begünstigt ebenfalls die Festigkeit und Stabilität und fördert die Möglichkeit, die Radial- und Umfangsstege wie zuvor beschrieben dünnwandiger auszubilden. Alternativ kann zwischen dem radialen Axialbereich und dem Zentralbereich noch ein Zwischenbereich vorgesehen werden, dessen Hüllfläche eine gegenüber dem radialen Außenbereich geringere konvexe Krümmung aufweist, jedoch nicht flach ausgebildet ist.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die in radialer Richtung in jeweils einem radialen Abstand r zur axialen Mitte des Schutzgitters angeordneten Umfangsstege jeweils eine variierende Winkelanstellung gegenüber einer Axialebene des Schutzgitters aufweisen. Dabei vergrößert sich die Winkelanstellung der Umfangsstege in Richtung radial auswärts des Schutzgitters. Erfindungsgemäß bedeutet das, dass die jeweilige Winkelanstellung der Umfangsstege in Abhängigkeit von deren Abstand r zur axialen Mittelachse des Schutzgitters im Verhältnis zu einem maximalen Abstand R eines äußersten Umfangsstegs zur axialen Mittelachse des Schutzgitters variiert und bei einem Abstandverhältnis r/R = 1,0 eine Winkelanstellung von 50–70°, bei einem Abstandverhältnis r/R = 0,85 eine Winkelanstellung von 30–50°, bei einem Abstandverhältnis r/R = 0,70 eine Winkelanstellung von 20–30° und/oder bei einem Abstandverhältnis r/R ≤ 0,55 eine Winkelanstellung von 0–20° gegenüber einer Axialebene des Schutzgitters vorgesehen ist. Der Winkel wird gemessen zwischen einer Erstreckung der Umfangsstege entlang ihrer Höhenrichtung (Höhe H) und der Axialebene des Schutzgitters. Die steigende Winkelanstellung der Umfangsstege von dem Zentralbereich in Richtung des radialen Außenbereichs trägt ebenfalls zur Geräuschreduzierung und einem verbesserten Wirkungsgrad des angeschlossenen Ventilators bei.
In einer ferner günstigen Ausführung weisen die Radialstege in einem axialen Querschnitt jeweils eine gekrümmte Form auf und verlaufen bogenförmig mit einem zur axialen Mittellinie des Schutzgitters weisenden Bogenbauch.
Ein weiterer positiver Aspekt der Erfindung wird durch die speziell konvex geformte Hüllfläche im radialen Außenbereich des Schutzgitters erzielt. In einer vorteilhaften Lösung ist vorgesehen, dass die konvex gekrümmte Hüllfläche im radialen Außenbereich in einem seitlichen Querschnitt eine teilelliptische Kontur bestimmt und sich dadurch auszeichnet, dass das Verhältnis der radialen Länge a des Außenbereichs zu dem Radius c des Schutzgitters auf a/c > 0,25 festgelegt ist. Daraus ergibt sich eine Radialerstreckung des radialen Außenbereichs von mindestens 25% des Gesamtradius des Schutzgitters. Ferner ist eine Ausführungsvariante bevorzugt, bei der ein Verhältnis der axialen Höhe b des Schutzgitters zu dem Radius c des Schutzgitters auf b/c > 0,02 festgelegt ist. Weiter bevorzugt ist, dass das Verhältnis der axialen Höhe b des Schutzgitters zu dem Radius c des Schutzgitters in einem Bereich von 0,025 ≤ b/c ≤ 1 liegt, so dass ein ausreichender axialer Abstand zu dem angeschlossenen Ventilator bzw. dessen Ventilatorrades gewährleistet und gleichzeitig ein in Sachen Geräuschentwicklung und Wirkungsgrad optimiertes Schutzgitter bereitgestellt ist.
Hinsichtlich der Erstreckung und Anordnung der Umfangsstege und Radialstege des Schutzgitters haben sich mehrere weitere Einflussgrößen als vorteilhaft auf die Geräuschentwicklung und den Wirkungsgrad erwiesen. In einem ersten Aspekt ist vorgesehen, dass sich die Radialstege über den äußersten der Umfangsstege radial bzw. axial hinaus erstrecken und eine Außenkante des Schutzgitters bilden, die dadurch strömungsoffen gestaltet ist. Da sich das Schutzgitter im äußersten radialen Außenbereich fast ausschließlich in axialer Richtung erstreckt, liegt der Hauptanteil bei einer axialen Erstreckung der Radialstege über den radial äußersten Umfangssteg. An der radialen Außenkante des Schutzgitters werden in einer Ausführungsform die Befestigungsmittel einstückig an dem Schutzgitter ausgebildet, um einen Anschluss an den Ventilator über die im Stand der Technik üblichen Befestigungselemente zu ermöglichen.
In einem weiteren Aspekt wird das Schutzgitter derart ausgebildet, dass die Anzahl der Radialstege im radialen Außenbereich höher ist als im Zentrumsbereich, um den Strömungswiderstand im Zentrumsbereich so gering wie möglich zu gestalten. Aufgrund der insgesamt gewölbten Form des Schutzgitters und des damit einhergehenden vergrößerten axialen Abstands des Zentralbereichs gegenüber dem angeschlossenen Ventilator bzw. Ventilatorrad kann dort die Maschenweite der Gitterstegstruktur vergrößert werden. Erfindungsgemäß erfolgt dies durch eine Reduzierung der Anzahl der in dem Zentralbereich vorgesehenen Radialstege, d. h. ihre Anzahl verringert sich in Richtung einer axialen Mitte des Schutzgitters.
Die Erfindung umfasst ferner die aus einem Ventilator mit einem oben beschriebenen Schutzgitter gebildete Einheit, deren Wirkungsgrad verbessert und Schallleistung reduziert ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Schutzgitters;
2 eine Seitenansicht des Schutzgitters aus 1;
3 eine seitliche Schnittansicht des Schutzgitters aus 1;
4 eine seitliche Darstellung eines Teils der Hüllfläche des Schutzgitters;
5 eine seitliche Darstellung eines Teils der Hüllfläche des Schutzgitters;
6 einen Kennlinienvergleich des statischen Gesamtwirkungsgrads eines Ventilators; und
7 einen Kennlinienvergleich der Schalleistung eines Ventilators.
In den Figuren benennen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines rotationssymmetrischen Schutzgitters 1 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Das Schutzgitter 1 weist eine Gitterstegstruktur auf, gebildet aus sich kreuzenden in Umfangsrichtung beabstandet verlaufenden Radialstegen 2 und in radialer Richtung beabstandet verlaufenden, koaxialen Umfangsstegen 3. Die Radialstege 2 erstrecken sich über den äußersten Umfangssteg 3 radial und axial hinaus und bilden eine in Umfangsrichtung verlaufende radiale Außenkante. An dieser radialen Außenkante des Schutzgitters 1 sind einstückig vier Befestigungsstege 4 in Umfangsrichtung jeweils in 90 Gradwinkeln beabstandet ausgebildet. Die Befestigungsstege 4 sind selbst teilweise aus Radialstegen 2 gebildet.
2 zeigt das Schutzgitter 1 aus 1 in einer Seitenansicht. Das Schutzgitter 1 weist einen umlaufenden radialen Außenbereich A und einen Zentralbereich Z um die Mittelachse M auf. Eine von dem radialen Außenbereich A und dem Zentralbereich Z gedacht aufgespannte Hüllfläche ist im axialen Außenbereich A konvex gekrümmt und im Zentralbereich Z flach und eben, so dass sich der Zentralbereich Z parallel zu einer Radialebene X des Schutzgitters 1 erstreckt. Der Zentralbereich Z schließt sich in radialer Einwärtsrichtung unmittelbar an den radialen Außenbereich A an. Der Übergang ist dabei fließend.
Im radialen Außenbereich A ist die Anzahl der Radialstege 2 höher als im Zentrumsbereich Z. Dies ist dadurch realisiert, dass sich die Radialstege 2 unterschiedlich weit in radialer Einwärtsrichtung erstrecken und teilweise die radial innen liegenden Umfangsstege 2 nicht mehr erreichen. Somit erhöht sich die lichte Maschenweite innerhalb der Gitterstegstruktur im Zentralbereich Z, wodurch gleichzeitig der Strömungswiderstand sinkt.
Die Vielzahl der Umfangsstege 3 ist in radialer Richtung des Schutzgitters 1 in jeweils einem radialen Abstand r zur axialen Mitte des Schutzgitters 1 angeordnet. Beispielhaft ist in 2 ein Abstand r des fünften von sieben Umfangsstegen 3 ausgehend von der axialen Mittelachse M gekennzeichnet. Der Abstand des radial äußersten Umfangsstegs 3 ist mit R gekennzeichnet. Die Umfangsstege 3 weisen in Abhängigkeit von ihrem Abstand r zu axialen Mittelachse M eine variierende Winkelanstellung gegenüber einer Axialebene des Schutzgitters 1 auf, wobei in der gezeigten Ausführung bei einem Abstandverhältnis r/R = 1,0 (äußerster Umfangssteg) eine Winkelanstellung von α = 60°, bei einem Abstandverhältnis r/R = 0,85 eine Winkelanstellung von β = 40°, bei einem Abstandverhältnis r/R = 0,70 eine Winkelanstellung von 30° und bei einem Abstandverhältnis r/R ≤ 0,55 im Zentralbereich Z eine Winkelanstellung 6 von unter 20° gegenüber einer Axialebene des Schutzgitters 1 vorgesehen ist.
Gemäß der Zusammenschau der 2 und 4 lässt sich die konvex gekrümmte Hüllfläche des Schutzgitters 1 näher spezifizieren. Im radialen Außenbereich A bestimmt die konvex gekrümmte Hüllfläche in einem seitlichen Querschnitt eine teilelliptische Kontur 5, deren Verhältnis der radialen Länge a des radialen Außenbereichs A zu dem Radius c des Schutzgitters 1 in der gezeigten Ausführung einen beispielhaften Wert von ca. 0,55 einnimmt. Hinsichtlich des Verhältnis der axialen Höhe b des Schutzgitters 1 zu dem Radius c ist in der gezeigten Ausführung ein beispielhafter Wert von 0,35 festgelegt. 5 zeigt beispielhaft eine alternative Ausführung einer teilelliptischen Kontur 5 der Hüllfläche mit stärkerer konvexer Wölbung des radialen Außenbereichs A und Verhältnissen a/c von über 0,6 und b/c von über 0,4.
3 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des Schutzgitters aus 1 mit einem Schnitt durch einen Radialsteg 2. Gut zu erkennen ist die Winkelanstellung der Umfangsstege 3. Ferner ist die dünnwandige Ausbildung der Radialstege 2 und Umfangsstege 3 gezeigt, wobei die Wanddicke B und Höhe H anhand von Radialstegen 2 gekennzeichnet wurde. Dies ist jedoch entsprechend auf die Umfangsstege 3 anwendbar. Im Querschnitt sind sowohl die Radialstege 2 als auch die Umfangsstege 3 rechteckig. Das Verhältnis Wanddicke B zur Höhe H liegt in der gezeigten Ausführung bei einem Wert von 5. Die derart dünnwandige Ausbildung der Stege 2, 3 ist durch die Form des Schutzgitters 1 ermöglicht.
Die 6 und 7 zeigen Diagramme von Kennlinienvergleichen des statischen Gesamtwirkungsgrads (6) sowie der Schalleistung (7) bei verschiedenen Volumenströmen durch das Schutzgitter 1 der 1 und durch herkömmliche flache Schutzgitter. Die Kennlinien des erfindungsgemäßen Schutzgitters 1 sind mit 100, die der herkömmlichen Schutzgitter mit 200 gekennzeichnet. Der verwendete Ventilator ist dabei immer derselbe. Gemäß 6 steigt der statische Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Schutzgitters 1 bei einem Volumenstrom von 400 m³/h weiter stark an und erzeugt dadurch einen Unterschied von über 2%, der bis zum maximalen Volumenstrom aufrecht erhalten bleibt. Der Unterschied der Schallleistung zeigt sich ebenfalls ab einem Volumenstrom von 400 m³/h, wobei das erfindungsgemäße Schutzgitter 1 beim maximalen Volumenstrom um über 4 dBA leiser ist als herkömmliche Schutzgitter. Die für das erfindungsgemäße Schutzgitter 1 gemessenen Werte liegen dabei auf einem Niveau mit Werten eines Ventilatorbetriebs ganz ohne Schutzgitter.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise können benachbarte Umfangsstege auch eine identische Winkelanstellung aufweisen. Ferner können die entgegen der Strömungsrichtung weisenden Oberflächen der Stege des Schutzgitters eine weiter angepasste Form aufweisen, beispielsweise abgerundet sein.

Claims

Schutzgitter mit Befestigungsmitteln zur Anordnung an einem Ventilator, mit einer Gitterstegstruktur, die in Umfangsrichtung beabstandete Radialstege und in radialer Richtung beabstandete koaxiale Umfangsstege umfasst, wobei das Schutzgitter zumindest einen radialen Außenbereich und einen Zentralbereich um eine Mittelachse des Schutzgitters aufweist, und eine von dem radialen Außenbereich und dem Zentralbereich aufgespannte Hüllfläche im axialen Außenbereich konvex gekrümmt und im Zentralbereich flach, insbesondere parallel zu einer Radialebene des Schutzgitters ausgebildet ist.
Schutzgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es rotationssymmetrisch ausgebildet ist und sich der Zentralbereich in radialer Richtung unmittelbar an den radialen Außenbereich anschließt, wobei die konvex gekrümmte Hüllfläche des radialen Außenbereichs fließend in den flach ausgebildeten Zentralbereichs übergeht.
Schutzgitter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialstege und/oder die Umfangsstege einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe H und einer Wanddicke B aufweisen, deren Verhältnis auf H/B ≥ 3 festgelegt ist.
Schutzgitter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsstege in radialer Richtung in jeweils einem radialen Abstand r zur axialen Mitte des Schutzgitters angeordnet sind und jeweils eine variierende Winkelanstellung gegenüber einer Axialebene des Schutzgitters aufweisen.
Schutzgitter nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Winkelanstellung der Umfangsstege in Abhängigkeit von deren Abstand r zur axialen Mittelachse des Schutzgitters im Verhältnis zu einem maximalen Abstand R eines äußersten Umfangsstegs zur axialen Mittelachse des Schutzgitters variiert und bei einem Abstandverhältnis r/R = 1,0 eine Winkelanstellung von 50–70°, bei einem Abstandverhältnis r/R = 0,85 eine Winkelanstellung von 30–50°, bei einem Abstandverhältnis r/R = 0,70 eine Winkelanstellung von 20–30° und/oder bei einem Abstandverhältnis r/R ≤ 0,55 eine Winkelanstellung von 0–20° gegenüber einer Axialebene des Schutzgitters vorgesehen ist.
Schutzgitter nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die konvex gekrümmte Hüllfläche im radialen Außenbereich in einem seitlichen Querschnitt eine teilelliptische Kontur bestimmt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Verhältnis der radialen Länge a des Außenbereichs zu einem Radius c des Schutzgitters auf a/c > 0,25 festgelegt ist.
Schutzgitter nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die konvex gekrümmte Hüllfläche im radialen Außenbereichs in einem seitlichen Querschnitt eine teilelliptische Kontur bestimmt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Verhältnis einer axialen Höhe b des Schutzgitters zu dem Radius c des Schutzgitters auf b/c > 0,02 festgelegt ist.
Schutzgitter nach dem vorigen Anspruch, wobei die konvex gekrümmte Hüllfläche im radialen Außenbereichs in einem seitlichen Querschnitt eine teilelliptische Kontur bestimmt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verhältnis der axialen Höhe b des Schutzgitters zu dem Radius c des Schutzgitters in einem Bereich von 0,025 ≤ b/c ≤ 1 festgelegt ist.
Schutzgitter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Radialstege über einen äußersten Umfangssteg radial und/oder axial hinaus erstrecken und eine Außenkante des Schutzgitters bilden.
Schutzgitter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Radialstege im radialen Außenbereich höher ist als im Zentrumsbereich.
Schutzgitter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anzahl der in dem Zentralbereich vorgesehenen Radialstege in Richtung einer axialen Mitte des Schutzgitters verringert.
Schutzgitter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialstege in einem axialen Querschnitt eine gekrümmte Form aufweisen.
Ventilator mit einem Schutzgitter nach einem der vorigen Ansprüche.