DE102015013704A1 - Exponentielle Spiralen als Schaufelkontur für Standard-Gebläse und Gebläse mit Rinnenring - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Anpassung und Verbesserung der Schaufelkontur bzw. der Skelettlinie einer profilierten Gebläseschaufel. Die Eintrittsströmung in ein Gebläse-Laufrad unter Drallzuströmung etwa durch Ansaugung über einen Rinnenring, wird durch aerodynamische Maßnahmen wie Änderung der Schaufelwinkels oder Anpassung der Schaufelgeometrie im Vergleich zur bisherigen Ausführung des Gebläses verbessert. Dazu wird die Verwendung von exponentiellen Spiralen oder kombinierten Konturen vorgeschlagen. Der Kreisbogen 1 stellt einen Speziallfall der exponentiellen Spiralen dar.

Description

• 1. Stand der Technik
• Es ist bekannt, dass sich die Eigenschaften von Gebläsen mittels Drallzuströmung verändern lassen, z. B. Bruno Eck S. 349 ff.. DE 10 2014 115 286 A1 beschreibt eine Ansauggeometrie zur Erzeugung einer Drallströmung, den Rinnenring.
• Die derzeit vorhandenen Gebläse sind aber für eine drallfreie Zuströmung entwickelt worden. Das bedeutet, dass die Schaufelwinkel oder Schaufelgeometrien am Eintritt im Fall einer Drallzuströmung nicht optimal sind, also Stoßverluste auftreten, weil der Winkel zwischen Absolutströmung und Schaufeleintritt gegenüber dem „Normalfall” drallfreier Zuströmung vergrößert wird.
• Eine weitere Verbesserung von Gebläsen mittels Drallzuströmung erfordert eine Anpassung der Laufradgeometrie an die durch Drall veränderten Verhältnisse, also auch eine Anpassung der Schaufelwinkel β₁, β₂.
• Diese Erfindung beschreibt neue Schaufelkonturen für Standard-Gebläse und die Anwendung dieser Schaufelkonturen für die Anpassung eines Gebläses mit Rinnenring.
• 2. Erfindung
• Die Drehzahl des Systems Laufrad Motor stellt sich stationär so ein, dass das Drehmoment des Motors dem Drehmoment des Laufrades entspricht. Bei einer Verkleinerung des Drehmomentes des Laufrades, etwa durch einen Rinnenring mit Mitdrall, dreht der Motor höher, wenn das Drehmoment des Motors zu höheren Drehzahlen hin zu nimmt. Bei einer Vergrößerung des Drehmomentes des Laufrades – etwa durch einen Rinnenring mit Gegendrall – dreht der Motor langsamer, wenn das Drehmoment des Motors mit sinkender Drehzahl abnimmt.
• Eine typische Drehmoment-Kurve für Elektromotoren beschreibt die Kloss'sche Gleichung.
• Wenn man die Drehzahl des Systems Motor Laufrad nicht mehr groß ändern kann, etwa weil der Motor mit der Drehzahl des höchsten Drehmomente und damit auch in etwa im Bereich des Wirkungsgradmaximums dreht, kann eine Verbesserung der Luftleistung des Systemes auch durch eine Veränderung der Schaufelgeometrie des Laufrades erreicht werden.
• Die Strömungsverhältnisse beim Ein/Austritt in Schaufelkanäle werden mit Geschwindigkeitsdreiecken, der Relativgeschwindigkeit w, der Absolutgeschwindigkeit c und der Umfangsgeschwindigkeit u des Laufrades dargestellt. Im Fall einer Drallzuströmung kommt dazu eine Drallkomponente d, die in Richtung der Umfangsgeschwindigkeit als Mitdrall und gegen diese Richtung als Gegendrall bezeichnet wird. Als typisches Anwendungs-Beispiel soll ein Trommelläufer betrachtet werden, Urpatent DE-116231 . Dieser Gebläsetyp weist heutzutage oft eine radiale β₁ = 90° oder leicht in Drehrichtung β₁ ~ 100° gerichtete innere Schaufelorientierung auf. Der Schaufelwinkel an einem Punkt ist der Winkel zwischen der Tangente an die Schaufelkontur und der Tangente zu dem zum Gebläsekonturkreis konzentrischen Kreis an. eben diesen Punkt.
• Die Anwendung von Mitdrall-Rinnenringen ergibt in der Regel eine Drehzahlsteigerung des Gebläses. Die Betrachtung der veränderten Geschwindigkeitsdreiecke zeigt, dass die Absolutströmung unter einem großen Winkel auf die Schaufeln trifft, wodurch Stoßverluste entstehen, also der Winkel zwischen Absolutgeschwindigkeit c und Relativgeschwindigkeit w bei Mitdrall zunimmt.
• Ein Standard-Laufrad bei der Verwendung eines Rinnenringes kann durch Anpassung des Schaufelwinkels verbessert, also an die veränderten Strömungsverhältnisse angepasst werden. Weiter denkbar sind Maßnahmen, die ein Anliegen der Strömung bei hohen Anströmwinkeln ermöglichen. Dazu zeigt der Stand der Technik Turbulatoren, Abrisskanten etc. an der Eintrittskante der Schaufel, gewellte oder buckelige Vorderkanten oder profilierte Schaufeln oder vorflügel-artige Nasengeometrien wie bei den Hochauftriebssystemen aus der Luftfahrt.
• Die Veränderung des Schaufelwinkels der gegebenen Geometrie bisheriger Gebläse, bzw. der hier als Beispiel dienenden Trommelläufer, ist auf verschiedene Arten machbar, durch eine Veränderung des Umschlingungswinkel einer Kreisbogenschaufel, durch Änderung des Schaufelradius, durch Drehen der Kreisbogenschaufel, durch Kombination mehrerer Kreisbögen unterschiedlicher Radien, durch eine spiralförmige, splineförmige Schaufelkontur, durch eine profilierte Schaufel. Dabei ist auch eine S-förmige Schaufelkontur denkbar wie z. B. in DE-1051454 beschrieben.
• Bei all diesen Maßnahmen ist die mögliche Veränderung des Austritts-Schaufelwinkels β2 zu berücksichtigen. Soll bei einer Verkleinerung des Eintrittsschaufelwinkels β₁ das Drehmoment des Laufrades nicht zu sehr abfallen, dann empfiehlt sich dazu eine leichte Vergrößerung des Austrittsschaufelwinkels β₂.
• Abgeschätzt werden kann diese Veränderung über die Eulersche Gleichung unter Berücksichtigung der jeweiligen Schaufelwinkel und der Umfangsgeschwindigkeit u.
• Die exponentielle Spirale kann z. B. so definiert werden:

  

  ergibt sich:

  
• Dabei ist r₀ der Startradius und r_E der Endradius beim Endwinkel φ_E.
• Der Kreisbogen stellt den Spezialfall einer Spirale dar, bei der der Radius bei jeder Polarwinkelposition, bei der Darstellung in Polarkoordinaten, konstant ist, r_E = r₀ Bekannt sind aus der Literatur in der Regel Kreisbogenschaufeln und Schaufeln auf Basis der logarithmischen Spirale, vergl. S. 35, Carolus, 2003.
• Denkbar sind aber auch andere Formulierungen des Exponenten T₃. In der obigen Formulierung entspricht n = 0 der archimedischen Spirale und der nicht definierte Fall n = 1 ist die logarithmische Spirale:

  

  Vorgabe: (r₀, φ₀), φ₀ = 0, (r_E, φ_E)

  
• Im Grunde kann jeder Bogenbereich einer Funktion, der durch Parameter wie z. B. einen Exponenten steuerbar ist, also dessen Steigung bzw. Tangentenwinkel und damit die Schaufelwinkel am Anfang und Ende steuerbar ist, als Ausgangspunkt für eine Schaufelkontur verwendet werden. Denkbar wäre z. B. ein Bereich der Superellipse, der Laméschen Figur.
• Will man zwei Konturen f₁ und f₂ miteinander mischen, also kombinieren, so bietet sich eine Wichtungsfunktion über den Winkelbereich der Spirale an, so dass an einem Ende der Spirale die Kontur f₁ bestimmend ist und am anderen Ende die Kontur f₂. Der Wichtungsexponent verschiebt den Einflussbereich der beiden Konturen. Denkbar ist auch die Kombination von mehr als 2 Konturen, indem man die jeweiligen Wichtungsfunktion nur in Teilbereichen des Schaufelumfanges, also des später in den Figuren dargestellten Umschlingungswinkel σ definiert, so dass man eine Schaufel aus mehr als zwei Konturen kombinieren kann.

  

  0 ≤ w(i) ≤ 1 für 0 ≤ φ ≤ φ_E, n_W Wichtungsexponent r(φ) = w(φ)·f₁(φ) + (1 – w(φ))·f₂(φ), 0 < φ < φ_E
• Auf diese Weise kann man einfacher zwischen gewünschten Schaufelwinkeln wählen als mit den Kreisbogenschaufeln.
• Die somit möglichen Konturen für Schaufeln eignen sich sowohl für normale Gebläse ohne Rinnenringe, aber auch für die Anpassung bestehender Schaufelgeometrien bei der Verwendung von Rinnenringen.
• Man kann damit die Schaufelwinkel β₁, β₂ im Vergleich zur normalen Kreisbogenschaufel sowohl vergrößern als auch verkleinern.
• Dabei ist es wichtig die Stoßverluste möglichst klein zu halten, also den Winkel zwischen Absolutströmung und Relativströmung klein zu halten, also z. B. bei vorwärtsgekrümmten Schaufeln β₁ im Fall von Mitdrall zu verringern. Mit Hilfe der jetzt freier wählbaren Schaufelwinkel lassen sich das Motordrehmoment und das Gebläsedrehmoment besser aufeinander abstimmen. Damit entsteht ein Typus von Gebläsen, dessen Schaufelwinkel auf das System Motor, Gebläse-Laufrad, Sammelgehäuse und Rinnenring abgestimmt sind.
• Eine Verringerung der Schaufelzahl bei zunehmender Versperrung bei zunehmender Schrägstellung der Schaufeln kann sinnvoll sein.
• 3. Literatur
• Carolus, Thomas, 2003, Ventilatoren, Teubner Verlag, 1. Auflage,
• Eck, Bruno, 1972, Ventilatoren, Springer Verlag, 5. Auflage,
• 4. Figuren
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• 1 zeigt die Schaufel 1 eines Gebläselaufrades mit Geschwindigkeitsdreiecken ohne Drall 3, mit Mitdrall 3' und Gegendrall 3'', das sich in Richtung 2 dreht, also eine vorwärtsgekrümmte Schaufel. Der Winkel zwischen der Relativgeschwindigkeit w und der Absolutgeschwindigkeit c ist bei Mitdrall am größten und für Gegendrall am kleinsten. Der Schaufelwinkel β₁* etwas im Inneren der Schaufel ist kleiner als der Eintrittswinkel β₁.
• 2 zeigt die Schaufel 1 aus 1 als eine gekappte Schaufel 1k, deren Eintrittswinkel β₁* ist und die zugehörigen Geschwindigkeitsdreiecke ohne Drall 3k, mit Mitdrall 3'k und Gegendrall 3''k. Man erkennt, dass der Winkel zwischen Absolutgeschwindigkeit c und Relativgeschwindigkeit w spitzer, also kleiner, als bei den Geschwindigkeitsdreiecken 3, 3' und 3'' in der 1 geworden ist.
• 3 zeigt die dünnen Schaufeln von 1 und 2 als eine verdickte Version 1 und 1k. Die beiden Schaufeln 1 und 1k unterscheiden sich qualitativ durch die Umschlingungswinkel σ und σ_k und die Schaufelwinkel β₁, β₁*.
• 4: Dreht man die Schaufel 1 der 3 um den Drehpunkt DP hin zu kleineren Schaufelwinkeln wie den der Schaufel 1k, dann erhält man die Schaufel 1d. Diese Schaufel mit dem Gebläse-Aussenkreis AK beschnitten blockiert sich selbst. Man kann also mit der normalen Kreisbogenschaufel bei konstantem Krümmungsradius den Schaufelwinkel β₁ nicht frei wählen.
• 5 zeigt die Möglichkeit mit einer S-förmigen Schaufel 1s den Schaufeleintrittswinkel auf β₁** zu verkleinern. Daneben sind die zugehörigen Geschwindigkeitsdreiecke ohne Drall 3s, mit Mitdrall 3s' und mit Gegendrall 3s'' dargestellt. Zweckmäßig geschieht dies durch Anfügen eines kleinen Kreisbogens oder einer anderen Kontur an eine normale Schaufel 1 wie in 1.
• 6 zeigt einen Satz von Gebläseschaufeln mit gleichem Umschlingungswinkel σ, die um eine Kreisbogenschaufel 1 mit Radius r₀ gemäß der Formeln für eine exponentielle Spirale entwickelt werden können. Dabei werden die Schaufeln oberhalb der Kreisbogenschaufeln zu einem größeren Endradius r_E > r₀ hin entwickelt und die Schaufeln unterhalb zu einem kleineren Endradius r_E < r₀ hin entwickelt.
• Alle Schaufeln haben einen gemeinsamen Punkt auf der x-Achse bei x = r₀.
• Alle Schaufeln haben den gleichen Umschlingungswinkel σ. Die Schaufeln mit durchgezogener Linie sind mit den jeweiligen Exponenten gekennzeichnet und sind reine exponentielle Spiralen. Dabei werden die Kurven mit n = 0 mit 4a und 4i extra gekennzeichnet. Die Kontur 4a ergibt kombiniert mit der Kreisbogenschaufel 1 mit dem Wichtungsexponenten n_w = 0 die Kontur 5a.
• Die Kontur 4i ergibt kombiniert mit der Kreisbogenschaufel mit dem Wichtungsexponenten n_w = 0 die Kontur 5i. Auf diese Weise lässt sich der Schaufelwinkel β₂ der Kreisbogenschaufel außen beibehalten.
• 7 zeigt den Vergleich zwischen der Kreisbogenschaufel 1 und einer Schaufel mit der Kontur einer exponentiellen Spirale 1e mit dem Exponenten n = 5, die zu einem Endradius größer als der Radius der Kreisbogenschaufel entwickelt wird, r_E > r₀. Die Veränderung des Schaufelwinkels ist mit Δβ₁ dargestellt.
• 8 zeigt denselben Fall wie in 7 aber mit dem Exponenten n = 22. Es wird eine exponentielle Kontur mit S-Schlag (1es) erzeugt. Die Veränderung des Schaufelwinkels Δβ₁ ist gegenüber 7 deutlich vergrößert.
• Selbstverständlich lässt sich der Schaufelwinkel auch in die andere Richtung durch Veränderung des Endradius r_E < r₀ und geeignete Exponenten n, z. B. n = –5 verändern. Die Beispiele der 6–8 sollen zeigen, dass die Verwendung von exponentiellen Konturen, also exponentiellen Spiralen, und Kombination von Konturen die Freiheitsgrade bei der Formgebung von Gebläseschaufeln erweitert.
• Dies gilt natürlich auch für rückwärts gekrümmte Schaufeln sowie für profilierte Schaufeln mit einer Skelettlinie entsprechend der hier vorgestellten Konturen.
• Bezugszeichenliste

β₁, β₂

Schaufelwinkel

β₁

Schaufelwinkel gekürzte Schaufel

β₁

Schaufelwinkel gedrehte Schaufel

σk

Umschlingungswinkel, normale Schaufel, gekappte Schaufel

c

Absolutgeschwindigkeit

d

Drallkomponente

u

Umfangsgeschwindigkeit

w

Relativgeschwindigkeit

1

Schaufel

1k

gekappte Schaufel

1d

gedrehte Schaufel

1s

s-förmige Schaufel

1e

Schaufel mit Kontur einer exponentiellen Spirale

1es

S-Schaufel mit Kontur einer exponentiellen Spirale

2

Drehrichtung

3

Geschwindigkeitsdreieck normal

3'

Geschwindigkeitsdreieck Mitdrall

3''

Geschwindigkeitsdreieck Gegendrall

3k

Geschwindigkeitsdreieck normal, gekappte Schaufel

3'k

Geschwindigkeitsdreieck Mitdrall, gekappte Schaufel

3''k

Geschwindigkeitsdreieck Gegendrall, gekappte Schaufel

3s

Geschwindigkeitsdreieck normal, S-Schaufel

3's

Geschwindigkeitsdreieck Mitdrall, S-Schaufel

3''s

Geschwindigkeitsdreieck Gegendrall, S-Schaufel

4a

exponententielle Spirale n = 0 r_E > r₀

4i

exponententielle Spirale n = 0 r_E < r₀

5a

Kombination Kreisbogen äußere exponentielle Spirale n = 0

5i

Kombination Kreisbogen innere exponentielle Spirale n = 0

DP

Drehpunkt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102014115286 A1 [0001]
• DE 116231 [0008]
• DE 1051454 [0011]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• S. 35, Carolus, 2003 [0016]

Claims (7)

1. Verfahren zur Formgebung und Anpassung der Schaufelwinkel für die Schaufeln von Gebläsen mit Rinnenring oder ohne Rinnenring dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelkontur unprofilierter Schaufeln oder die Skelettlinie profilierter Schaufeln als exponentielle Spirale oder Funktion ausgeführt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Anpassung der Schaufelwinkel bei Gebläsen mit Rinnenring dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen Relativströmung und Absolutströmung so verändert wird im Vergleich zur konventionellen Kreisbogenschaufel, dass die Stoßverluste verringert werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1–2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2 Konturen über eine Wichtungsfunktion miteinander kombiniert werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass eine S-förmige Schaufelkontur (1s) durch Anhängen einer Kontur an eine nicht S-förmige Kontur erzeugt wird oder durch eine S-förmige Schaufelkontur (1es) bei einer exponentiellen Spirale erzeugt wird.
5. Gebläse dadurch gekennzeichnet, dass Schaufeln gemäß Anspruch 1, 2–4 verwendet werden.
6. Gebläse mit Rinnenring dadurch gekennzeichnet, dass Schaufeln gemäß Anspruch 1–5 verwendet werden.
7. Gebläse gemäß Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Wahl der Schaufelwinkel Motordrehmoment und Schaufeldrehmoment aufeinander abgestimmt werden.

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