DE10302773B3 - Impeller and idler wheels for flow machines, especially compressors and fans, are made from solid matrix with flow channels in which deflection of flow and associated pressure increase take place - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Lauf- und Leiträder für Strömungsmaschinen, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren.The invention relates to running and Idlers for turbomachines, especially for Compressors and fans.
Die Verdichtung von gasförmigen Fluiden erfolgt in Ventilatoren mit kleiner Druckerhöhung und in Verdichtern mit einer großen Druckerhöhung.The compression of gaseous fluids takes place in fans with a small pressure increase and in compressors with a big one Pressure increase.
Nach dem Wirkprinzip von Turboverdichtern wird die Arbeit durch Dralländerung zugeführt. Dabei durchströmt das Gas ein sich drehendes und mit einzelnen Laufschaufeln bestücktes Laufrad, durch welches die Arbeit zugeführt wird. Die Durchströmung des Laufrades erfolgt axial, diagonal und radial. Dementsprechend spricht man von Axial-, Diagonal- und Radial-Ventilatoren bzw. Verdichtern.According to the working principle of turbo compressors work by swirl change fed. It flows through the gas is a rotating impeller equipped with individual blades, through which the work is fed becomes. The flow of the Impeller is made axially, diagonally and radially. Accordingly speaks one of axial, diagonal and radial fans or compressors.
Neben den Laufrädern werden stehende, mit einzelnen Leitschaufeln bestückte Strömungsleiteinrichtungen, sogenannte Leiträder, zur Verbesserung der Arbeitsübertragung und des Wirkungsgrades in Ventilatoren und Verdichtern eingesetzt. Die Schaufeln der Lauf- und Leiträder haben eine Eintritts- oder Vorderkante und eine Austritts- oder Hinterkante.In addition to the wheels are standing, with individual Fitted with guide vanes flow guide, so-called idlers to improve job transfer and the efficiency used in fans and compressors. The blades of the impellers and idlers have an entry or leading edge and a trailing or trailing edge.
Die Oberflächen der Schaufeln zwischen Vorder- und Hinterkante bezeichnet man als Druckseite und Saugseite.The surfaces of the blades between the front and trailing edge are referred to as pressure side and suction side.
Mit Bezug auf die Schaufeln der Lauf- und Leiträder ist der mittlere Druck auf der Druckseite der Schaufeln größer als auf der Saugseite, wodurch Kräfte auf die Schaufeln wirken.With respect to the blades of the barrel and idlers the mean pressure on the pressure side of the blades is greater than on the suction side, creating forces act on the blades.
Diese Kräfte sind den Kräften gleich, welche die Lauf- und Leitschaufeln auf die Strömung ausüben und die zur Dralländerung und Arbeitsübertragung in den Ventilatoren und Verdichtern führen. Die Laufschaufeln sind nach Ausführungen gemäß dem Stand der Technik an einer Nabe mit axialer, diagonaler oder radialer Kontur befestigt.These forces are equal to the forces which the blades and guide vanes exert on the flow and those for changing the swirl and job transfer in the fans and compressors. The blades are after executions according to the status the technology on a hub with axial, diagonal or radial Contour attached.
Auf der äußeren, der Laufradnabe gegenüberliegenden Seite können die Laufschaufeln über einen Ring, das Deckband, verbunden und befestigt sein. Bei Diagonal- und Radialventilatoren und -verdichtern wird dieser Ring Deckscheibe genannt.On the outer, opposite the impeller hub Side can the blades over one Ring, the shroud, connected and attached. With diagonal and centrifugal fans and compressors, this ring becomes a cover plate called.
Die Leiträder und die Laufräder werden nach außen hin von einem Gehäuse umschlossen. Die Leitradnabe kann stromauf und stromab durch ein feststehendes Gehäuse fortgesetzt werden. Die Spalte zwischen dem Laufrad bzw. Leitrad und Gehäuse werden, im Interesse kleiner Strömungsverluste, möglichst klein ausgeführt. Der Antrieb der Laufräder erfolgt in der Regel durch einen Elektromotor über die Laufradnabe.The idlers and the impellers are outward towards a housing enclosed. The stator hub can be upstream and downstream by a fixed casing be continued. The column between the impeller or stator and housing in the interest of small flow losses, preferably executed small. The drive of the wheels is usually done by an electric motor via the impeller hub.
Bei der Rotation der Laufräder und der an die Schaufeln gebundenen Druckfelder zwischen Druck- und Saugseite entsteht bekanntermaßen ein intensiver Schall, der auch als Drehklang bezeichnet wird.When rotating the wheels and the pressure fields bound to the blades between pressure and As is known, the suction side is created an intense sound, which is also called rotary sound.
Eine weitere wichtige Quelle des Schalls sind die Druckschwankungen, die bei der Durchströmung der Lauf- und Leiträder und der damit verbundenen Bildung großer und kleiner Wirbel entstehen.Another important source of the Noises are the pressure fluctuations that occur when the air flows through the Impellers and idlers and the associated formation of large and small vortices.
Zur Minimierung des entstehenden Schalls sind im Stand der Technik viele Maßnahmen bekannt.To minimize the resulting Many measures are known in the prior art for sound.
Man unterscheidet zwischen aktiven
Maßnahmen,
wie z.B. der Auslegung von Ventilatoren und Verdichtern mit kleinem
Strömungsverlusten,
die Wahl ungleichmäßiger Abstände der
Schaufeln voneinander (Teilung) sowie, beispielsweise nach der
Ebenfalls bekannt nach der
Nach der Lehre der
Ähnlich
sind die Verhältnisse
bei einem Axialrad mit gesichelten Schaufeln, die in Strömungsrichtung
unterbrochen sind gemäß der Lehre
der
Gleichfalls wird im genannten Stand der Technik referiert, dass durch Vorsprünge an den Hinterkanten von Laufrädern eine verringerte Geräuschemission erreichbar ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Vorsprünge sowohl auf die Druckfelder als auch auf die Wirbel in der Strömung einwirken.Likewise, in the state mentioned the technology reports that by protrusions on the rear edges of impellers a reduced noise emission is achievable. It is assumed that the projections both act on the pressure fields as well as on the eddies in the flow.
Die zweite Gruppe von Maßnahmen zielt im Wesentlichen auf die Dämpfung der entstandenen Geräusche ab. Man bezeichnet diese Gruppe auch als passive Maßnahmen.The second group of measures essentially aims at damping the noises created from. This group is also known as passive measures.
So wird beispielsweise nach der
Nach der
In der
Weitere Ansätze zur Lösung des Geräuschproblems
bei Lauf- und Leiträdern
finden sich in der
Nach der Lehre der
In der
Einem ähnlichen Aspekt, dem der kostengünstigen
Herstellung von Laufrädern,
widmet sich die
Zur Beurteilung des Schallleistungspegels von Ventilatoren verwendet man den spezifischen, A-bewerteten Schallleistungspegel, der auf vereinbarte Werte von Gesamtdruckerhöhung, Volumenstrom und Drehzahl bezogen ist. Ordnet man diese spezifischen Schallleistungspegel zum Beispiel der Durchmesserzahl als Kennzahl für die Bauart der Ventilatoren zu, dann ergibt sich ein Band, in dem die hinsichtlich Wirkungsgrad und spezifischem Schallleistungspegel guten Ventilatoren liegen. Sehr gute Radialventilatoren erreichen spezifische Gesamtschallleistungspegel von etwa 20 dB (A), Axialventilatoren 32 dB (A).To assess the sound power level of Fans use the specific, A-weighted sound power level, the agreed upon values of total pressure increase, volume flow and speed is related. Arrange these specific sound power levels for example the number of diameters as a key figure for the design of the fans too, there is a band in which the efficiency and specific sound power level of good fans. Very good centrifugal fans achieve specific overall sound power levels of about 20 dB (A), axial fans 32 dB (A).
Allerdings hat die Entwicklung der vergangenen Jahre gezeigt, dass es trotz intensiver Bemühungen nicht möglich war, die minimalen spezifischen Schallleistungspegel weiter abzusenken. Dem Stand der Technik haftet somit trotz intensiver Bemühungen weiterhin der Nachteil an, dass die Geräuschbelastung von Ventilatoren und Verdichtern immer noch inakzeptabel hoch ist.However, the development of the past years showed that despite intensive efforts it did not possible was to further reduce the minimum specific sound power levels. The state of the art therefore remains liable despite intensive efforts the downside to the noise level of fans and compressors is still unacceptably high.
Strömungstechnisch günstige Ventilatoren und Verdichter mit großer Druckerhöhung und großem Volumenstrom bei gegebener Drehzahl und gegebenem Durchmesser haben häufig keine stabile Kennlinie. Die Kennlinie, ermittelt durch Auftragung der Druckerhöhung in Abhängigkeit des Volumenstroms fällt nicht monoton mit steigendem Volumenstrom.Fluidically favorable fans and Compressor with large pressure increase and big Have volume flow at a given speed and diameter frequently no stable characteristic. The characteristic curve, determined by plotting the pressure increase dependent on of the volume flow falls not monotonous with increasing volume flow.
Diese Eigenschaft wird durch ungleichmäßige Abreißerscheinungen an den Lauf- oder Leitschaufeln – rotierendes Abreißen – hervorgerufen und führt zu Wirkungsgradabfall, vergrößerter Schallabstrahlung und zusätzlicher mechanischer Belastung der Schaufeln. Deshalb dürfen Ventilatoren nicht im instabilen Betriebsbereich betrieben werden. Zur Verhinderung des instabilen Betriebes sind diverse Stabilisierungseinrichtungen bekannt.This property is caused by uneven tear signs on the rotor blades or guide vanes - rotating tearing off - and leads to Drop in efficiency, increased sound radiation and additional mechanical load on the blades. Therefore fans must not be in an unstable state Operating area. To prevent the unstable Various stabilization devices are known in operation.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde Lauf- und Leiträder für axiale, diagonale und radiale Ventilatoren bzw. Verdichter zu entwickeln, die einen wesentlich kleineren spezifischen Schallleistungspegel als herkömmliche Ventilatoren bzw. Verdichter aufweisen.The invention is therefore the object based on impellers and idlers for axial, to develop diagonal and radial fans or compressors that a significantly smaller specific sound power level than conventional Have fans or compressors.
Weiterhin wird eine Verbesserung der Kennlinienstabilität angestrebt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Lauf- und Leiträder für Strömungsmaschinen, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren gelöst, welche zur Verringerung von Strömungsgeräuschen und zur Verbesserung der Kennlinienstabilität zwischen dem Ein- und dem Austrittsquerschnitt für die Strömung aus einer Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen gebildet werden, in welchen eine Umlenkung der Strömung und die damit verbundene Druckerhöhung erfolgt.It continues to be an improvement the stability of the characteristic sought. According to the task through impellers and idlers for turbomachines, especially for Compressors and fans released, which to reduce flow noise and to improve the stability of the characteristic between the on and the Outlet cross section for the flow are formed from a solid matrix with a large number of flow channels, in which a redirection of the flow and the associated pressure increase he follows.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Feststoffmatrix nicht isotrop aus zueinander beabstandeten Segmenten aufgebaut, durch welche die Strömungskanäle für das Fluid gebildet werden.According to an advantageous embodiment According to the invention, the solid matrix is not isotropic with respect to one another spaced segments built through which the flow channels for the fluid be formed.
Die Segmente weisen in Strömungsrichtung beispielsweise polygonale Querschnitte auf und werden aus Bändern gebildet.The segments point in the direction of flow, for example polygonal cross sections and are formed from ribbons.
Gleichfalls vorteilhaft sind die Segmente mit wabenartigem, quadratischem oder trapezförmigem Querschnitt ausgebildet.They are also advantageous Segments with a honeycomb, square or trapezoidal cross-section educated.
Die Segmente werden vorzugsweise durch Bänder aus Kunststoff oder Metall ausgebildet oder in einem Gießverfahren hergestellt.The segments are preferred through ribbons made of plastic or metal or in a casting process manufactured.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Feststoffmatrix aus isotropen porösen Materialien, welche Strömungskanäle für das Fluid aufweisen.After another advantageous one Embodiment of the invention, the solid matrix consists of isotropic porous Materials which flow channels for the fluid exhibit.
Vorteilhaft werden als poröse Materialien Schäume eingesetzt, insbesondere geeignet sind Metall- oder Kunststoffschäume.Foams are advantageously used as porous materials, metal or plastic foams are particularly suitable.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Feststoffmatrix aus faserartigen Strukturen oder auch aus quer zur Strömungsrichtung angeordneten Sieben gebildet.After another advantageous one Embodiment of the invention is the solid matrix of fibrous Structures or also arranged transversely to the direction of flow Seven formed.
Der erfindungsgemäße Erfolg wird auch erreicht, wenn die Feststoffmatrix in Strömungsrichtung aus mindestens zwei Schichten aufgebaut ist, wobei die erste Schicht aus faserartigen Strukturen oder aus isotropem porösen Material ausgeführt ist und die zweite Schicht aus Segmenten gebildet wird.The success according to the invention is also achieved if the solid matrix is in the flow direction is built up at least two layers, the first layer from fibrous structures or from isotropic porous material accomplished and the second layer is formed from segments.
Generell vorteilhaft ist es, zur mechanischen Stabilisierung der Feststoffmatrix Deckbänder vorzusehen oder auch bei Radialbauart der Laufräder eine Tragscheibe und eine Deckscheibe auszubilden.It is generally advantageous to mechanical stabilization of the solid matrix covering tapes or also with a radial design of the impellers a support disk and one Form cover plate.
Eine in Bezug auf die Minimierung der Strömungsgeräusche besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass die Strömungskanäle zur Ermöglichung eines partiellen Druckausgleiches in radialer oder Umfangsrichtung und damit verbundener Verringerung der Geräuschbelastung teilweise miteinander verbunden sind.One in terms of minimization the flow noise especially advantageous embodiment of the invention is that the flow channels to enable partial pressure equalization in the radial or circumferential direction and the associated reduction in noise pollution in part are connected.
Nach der Konzeption der Erfindung werden die Lauf- und Leiträder gerade nicht wie herkömmlich üblich mit einzelnen Schaufeln ausgestattet. Nach der Lehre der Erfindung werden die Lauf- und Leiträder durch eine Festkörpermatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen gebildet.After conceiving the invention become the impellers and idlers just not as usual with individual blades. According to the teaching of the invention the impellers and idlers through a solid matrix formed with a variety of flow channels.
Unter einer Festkörpermatrix sind strukturierte Materialien mit Strömungskanälen für das Fluid zu verstehen, in denen die Umlenkung der Strömung erfolgt.Structured are under a solid matrix Materials with flow channels for the fluid to understand where the flow is redirected.
In der Ausbildung als Axialventilator ist die Festkörpermatrix des Lauf- oder Leitrades beispielsweise scheibenartig ausgebildet.In the training as an axial fan, the solid matrix of the impeller or stator is an example wise disc-shaped.
Die erfindungsgemäßen Lösungen haben die nachfolgend beschriebenen Vorteile:The solutions according to the invention have the following Advantages described:
- – Die Arbeitsübertragung erfolgt wie bei Turbomaschinen über eine Dralländerung. Anstelle der Polaren der Tragflügel, der Gittereinflüsse und der Randverluste treten neue Parameter. Das sind in erster Linie die Kräfte (3 Komponenten) pro Volumeneinheit, die von der Festkörpermatrix bzw. den strukturierten Materialien auf die Strömung ausgeübt werden.- The labor transfer as with turbo machines a twist change. Instead of the polar of the wing, of lattice influences and the edge losses occur new parameters. That is primarily the forces (3 components) per unit volume by the solid matrix or the structured materials are exerted on the flow.
- – Der bei bekannten Lösungen an die einzelnen Lauf- und Leitschaufeln sowie Stege und Ähnliches gebundene Wirbellärm sowie der Drehklang und der Sirenenklang entfallen. Deshalb weist das Schallspektrum im mittleren, den Ventilatorlärm bestimmenden Frequenzbereich extrem niedrige Pegel auf. Das Strömungsrauschen bei sehr großen Frequenzen vergrößert sich. Das wirkt sich jedoch nicht wesentlich auf den A-bewerteten Pegel aus.- The with known solutions to the individual rotor blades and guide vanes as well as webs and the like bound vortex noise as well as the rotating sound and the siren sound are eliminated. Therefore points the sound spectrum in the middle frequency range that determines the fan noise extremely low levels. The flow noise at very high frequencies increases. However, this does not have a significant effect on the A-weighted level out.
- – Im Teillastbereich entsteht bei hochbelasteten Ventilatoren üblicherweise „rotierendes Abreißen" und damit zusammenhängend intensiver Schall. Rotierendes Abreißen basiert auf der laminaren Ablösung und der Bildung von großen, über einzelne Schaufeln eines Rades hinausgehende Strukturen. Solche Effekte treten bei einer Feststoffmatrix aus strukturiertem Material kaum auf, d.h. alle Kennlinien sind stabil, extra Stabilisatoren entfallen.- In the Partial load range usually arises with highly loaded fans Tear off "and In connection intense sound. Rotary tearing is based on laminar detachment and the formation of large, over individual Buckets of a wheel going beyond structures. Such effects occur with a solid matrix made of structured material, i.e. all characteristics are stable, no extra stabilizers.
- – Die Wirkungsgrade der neuartigen Ventilatoren sind nicht wesentlich schlechter als die herkömmlicher Ventilatoren, deren Verluste sich aus ebenen, Rand-, Spalt- und Mischungsverlusten zusammensetzen. Bei Schaufeln aus strukturiertem Material sind die Verluste zur Erzeugung der Umlenkung (analog zu den ebenen Verlusten) wesentlich größer als üblicherweise. Randverluste, Spaltverluste und Mischungsverluste verkleinern sich.- The Efficiencies of the new fans are not essential worse than that of conventional ones Fans, the losses of which consist of flat, edge, gap and Compound mix losses. For blades made of structured material are the losses for generating the redirection (analogous to the levels Losses) much larger than usual. Edge losses, gap losses and mixture losses decrease.
- – Alle Streben, z.B. zur Halterung des Motors, werden vorteilhaft entweder aus strukturiertem Material ausgeführt oder sie werden in dieses integriert, damit auch hier die Größe der Ablösewirbel minimiert wird.- All Struts, e.g. to mount the motor, will be beneficial either made of structured material or they will be in this integrated, so that the size of the separation vortex is minimized.
- – Zum Erreichen eines guten Teillastverhaltens können zwei oder mehrere verschiedene Grundstrukturen in den Lauf- und Leiträdern angewendet werden. So ist eine isotrope faserartige Struktur am Radeintritt zur Minimierung der Stoßverluste und eine wabenartige Struktur am Radaustritt zur Senkung der Reibungsverluste besonders vorteilhaft.- To the Achieving good part-load behavior can be two or more different Basic structures are used in the impellers and idlers. So is an isotropic fibrous structure at the wheel entrance to minimize the shock losses and a honeycomb structure at the wheel outlet to reduce friction losses particularly advantageous.
- – Für eine Vielzahl von Anwendungen mit axialer Förderrichtung werden Stufendruckzahlen von etwa 1 benötigt (z.B. Staubsaugergebläse). Das ist bisher nur mit Radialstufen, häufig mit nachgeschalteten Leit- und Rückführgittern, möglich. Axiale Ventilatoren mit entsprechend großen Druckzahlen haben instabile Kennlinien mit allen sich daraus ergebenden Nachteilen. Bei Axialstufen aus strukturierten Materialien ergibt sich dieser Nachteil nicht.- For a variety of applications with axial conveying direction step pressure numbers of about 1 are required (e.g. vacuum cleaner fan). This is so far only with radial stages, often with downstream guide and return grids, possible. Axial fans with correspondingly high pressure numbers have unstable Characteristic curves with all the resulting disadvantages. With axial steps off Structured materials do not suffer from this disadvantage.
Die erfindungsgemäßen Lauf- und Leiträder werden wegen ihrer Kennlinienstabilität insbesondere in Entrauchungsventilatoren eingesetzt.The impellers and guide wheels according to the invention are because of their characteristic stability used in particular in smoke extract fans.
Das erfindungsgemäße Konzept wird ebenso wegen der geringeren Schallbelastung für Computerventilatoren eingesetzt. Als weiteren beispielhaften Anwendungsfall ist Nutzung des Konzeptes für Wasserdampfturboverdichter zu nennen.The concept of the invention is also because the lower noise level for Computer fans used. As another example of use is use of the concept for To name steam turbo compressors.
Die genannte Auswahl der Einsatzmöglichkeiten zeigt, dass das erfindungsgemäße Lösungsprinzip auf eine Vielzahl unterschiedlichst dimensionierter Ventilatoren und Verdichter einsetzbar ist.The aforementioned selection of possible uses shows that the solution principle according to the invention on a large number of differently dimensioned fans and compressor can be used.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:More details, features and Advantages of the invention result from the following description of embodiments with reference to the related Drawings. Show it:
Erfindungsgemäß werden anstelle der üblichen
Lauf- und Leiträder
mit profilierten verwundenen Einzelschaufeln Lauf- und Leiträder aus
einer Feststoffmatrix aus bevorzugt fein strukturiertem Material
verwendet. Dabei können
die Wandstärken,
der die Segmente bildenden Materialien sehr klein gewählt werden.
Damit wird die Kraftwirkung der Schaufeln auf die Strömung in
herkömmlichen
Ventilatoren auf viele kleine Segmente oder „Strukturelemente" der Matrix
aufgeteilt. Die Struktur ergibt eine sehr hohe Festigkeit des Laufund
Leitrades
Die Segmente weisen in Strömungsrichtung
Die Segmente werden durch Bänder
Nach einer bevorzugten alternativen
Ausgestaltung der Erfindung werden die Lauf- und Leiträder
Die isotropen Schäume werden vorteilhaft als Metall- oder Kunststoffschaum ausgeführt.The isotropic foams are advantageous as Made of metal or plastic foam.
Ebenso vorteilhaft ist die Ausbildung
der Lauf- und Leiträder
In
Außerdem ermöglicht die faserartige isotrope
Struktur
In
Das Laufrad
Im ersten Quadranten gemäß
Im zweiten Quadranten gemäß
Im vierten Quadranten gemäß
In
- 11
- LaufradWheel
- 22
- Leitradstator
- 33
- Laufradnabeimpeller hub
- 44
- Leitradnabestator hub
- 55
- Antriebsmotordrive motor
- 66
- Gehäusecasing
- 77
- Deckbandshroud
- 88th
- Deckscheibecover disc
- 99
- Spiralgehäusevolute
- 1010
- Drehachseaxis of rotation
- 1111
- Zuströmunginflow
- 1212
- Drehrichtung des Laufradesdirection of rotation of the impeller
- 1313
- Ansaugdüsesuction
- 1414
- faserartige Strukturfibrous structure
- 1515
- wabenartige Strukturhoneycombed structure
- 1616
- Tragscheibecarrying disc
- 1717
- profilierte Scheibeprofiled disc
- 1818
- KoaxialschnittKoaxialschnitt
- 1919
- Bandtape
- 2020
- StegeStege
- 2121
- Strömungskanalflow channel
- 2222
- Welle des Antriebsmotorswave of the drive motor
- 2323
- AxialventilatorAxial
- 2424
- Radialventilatorcentrifugal fan
- 2525
- Abdichtungseal
- 2626
- Lascheflap
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