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Läufer für Zentrifugalgebläse, der aus einem in Förderrichtung von
engen Kanälen durchzogenen Körper besteht Die Erfindung bezieht sich auf :einen
Läufer für ein Zentrifugalgebläse, der .aus einem in Förderrichtung von engen Kanälen
,durchzogenen Körper besteht.
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Es sind Zentrifugalgebläse bekannt, deren Läufer aus nebeneinanderliegenden
gewellten Blechscheiben besteht. Wenn auf den ruhigen Lauf solcher Gebläse Wert
gelegt wurde, hatten sie den Nachteil hoher Drosselverluste und mußten infolgedessen
sehr groß gebaut werden.
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Bei einem anderen :bekanntgewordenen Ventilator besteht der Läufer
aus zwischen gelochten Blechscheiben eingeschlossenen Blechringen, deren Zwischenräume
als Schleuderluftzellen wirken, wobei der Läufer dort außerdem .aus einer Befeuchtungseinrichtung
Flüssigkeit aufnimmt. Auch :bei diesem Ventilator haben die Luftzellen keine Förderwirkung.
Sie üben keine Gitterwirkung im,aerodynamischen Sinne aus, wie sie bei Schaufeln
von Gebläseläufern entsteht.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, rotierende Scheiben aus porösem
Stoff als Läufer und zugleich als Filter zu verwenden. Die Förderwirkung dieser
Läufer beruht darauf, daß infolge der Luftreibung im Zwischenraum :zwischen den
Filterscheiben: die Luft in Drehung versetzt wird. Die Drehung der abströmseitigen
Luft bewirkt die Ausbildung eines zur Welle konzentrischen Potentialwirbels, dessen
Kern, d. h. dessen wellennahe Zonen, .eine Sogwirkung durch das Filtermaterial hindurch
ausüben. Der Filter ist passiv. Er liegt einfach im Zustrom und wird vom Druckgefälle
zwischen Wirbelkern und Zuströmraum durchströmt. Seine aerodynamische Mitwirkung
beruht lediglich auf der rauhen Oberfläche der Filter.
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Auch sind Ventilatoren bekanntgeworden, die aus einer Anzahl flacher,
in geringem Abstand nebeneinanderliegender Scheiben mit verhältnismäßig rauher Oberfläche
bestehen. Die Wirkung ähnelt derjenigen der vorbeschriebenen Ausführungen. Zwischen
den Scheiben entstehen sehr enge Zentrifugalräume, deren Druckunterschiede am Ein-
und Austritt eine Durchströmung verursachen. Auch diese Gebläse sind in ihrer Leistung
ungenügend, wenn sie auch in bezug auf die Laufruhe befriedigen.
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Ferner sind bereits Gebläseläufer bekannt, die im wesentlichen radial
verlaufende enge Kanäle (Röhren) aufweisen, in :denen das Fördermedium nach außen
geschleudert wird. Diese Läufer arbeiten sehr geräuschvoll, da jegliche freie Einstellung
der Strömung unterbunden wird und der Luftstrom am äußeren Läuferaustritt an den
scharfen Kanten abgerissen wird und dieses die Ursache für das störende Pfeifgeräusch
ist. Vorteilhafterweise vermeidet .die Erfindung diese Nachteile durch jegliches
Fehlen von scharfen Kanten und spitzwinkligen Stromumlenkungen durch völlig unbehinderten
Strömungsverlauf..
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Ein anderer radial durchströmter Läufer eines Gebläses, bei jdem aktive
Karbonatstücke von der Luft durchströmt werden, ist in der Bauweise eines Luftreinigungsgerätes
für einen Kühlschrank bekanntgeworden. Für die geringe Luftmenge, die in einem Kühlschrank
umgewälzt wird, mag dieses Gebläse genügen, jedoch ist die Methode völlig ungenügend,
einen Lüfter damit zu betreiben, weil sich kein ausreichender Förderstrom bilden
kann. Bei zu kleinen Abmessungen der Karbonatstücke sind wie bei den an erster Stelle
genannten Gebläsen die Drosselverluste zu groß. Andernfalls ist wiederum eine freie
Einstellung der Strömungsrichtung fast ausgeschlossen, und die Verluste bei der
Durchströmung des körnigen Schüttguts :sind fünfmal größer .als beim Gegenstand
der Erfindung.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, .einen in Förderrichtung
von engen Kanälen durchzogenen, billig herzustellenden Läuferkörper zu schaffen,
der ein .geräuscharmes Fördern mit möglichst geringen Drosselverlusten gewährleistet.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der das Gitter des Läufers bildende
Körper aus Fasern besteht, die eine der Umströmungsreibung entsprechende Umlenkung
im Drehsinn gestattet.
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Der Vorteil .besteht darin, daß der das Gitter bildende Faserkörper
ein lockeres Gebilde und so beschaffen
ist, daß die Strömung gezwungen
oder mindestens Fbeeinfiußt wird, eine bestimmte vorgegebene Bahn ohne große Drosselverluste
zu durchlaufen. Die radiale Strömung verläuft dabei nach einer Gleichgewichtsbahn,
:die von der Durchströmungsmenge, der Umfangsgeschwindigkeit und Fder Erstreckung
der Gitter abhängig ist. Nach der Umströmung der einzelnen Faser kann sich die Strömungsrichtung
frei neu einstellen, insbesondere kann sich hititei einer Faser die sehr kleine
turbulente Wirbelsttäße in Richtung des Abstromes ausbilden. Die nächste Faser wird
aus ;der Richtung angeströmt, die dem Feld der stetigen Umlenkung entspricht.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß .der Faserkörper
als Faserring ausgebildet ist und die Fasern aus Kunststoff bestehen.
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Eine vorzugsweise Anordnung besteht darin, .daß mindestens ein Teil
der Fasern .derart geschichtet ist, daß ihre Längsachse in der Rotationsebene liegt.
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Es hat sich bei einer raumsparenden Anordnung als zweckmäßig erwiesen,
daß -.bei -der Ausbildung des Faserkörpers als Faserring der Antriebsmotor im Innern
des Ringes untergebracht .ist.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß der Faserkörper von einem
Ringraum umgeben ist oder daß die den Faserkörper tragende Scheibe als rotierende
Glocke ausgebildet ist, die zugleich den Iniienkonus eines Diffusorraumes in Verbindung
mit einer feststehenden äußeren Gehäuseglocke bildet.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Faserkörper durch
einen vorn Motor getriebenen Korb gehalten.
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Es hat sich gezeigt, daß .das Zentrifugalgebläse auch noch als Klimagerät
verwendet werden kann, wenn man gemäß der Erfindung den Faserkörper mit einer Befeuchtungseinrichtung
versieht. Infolge der Größe der zwischen der durchströmenden Luft und dem Fasermaterial
besteheriden Berührungsflächen wätden Flüssigkeiten, .die die Fasern benetzen, in
intensivste Berührung mit -dein Luftstroüz gebriächt, so daß auf einfachste Weise
Lufbbefeiichtung oder Vetdalripfungskülilung möglich ist.
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In ddt Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt. Es
zeigt F i g. 1 einen seitlichen Quer§sdhnitt durch einen Ventilator, F i g. 2 Eden
gleichen Ventilator im Gruiidiiß, F i g. 3 eineu Querschnitt durch einen Ventilätöi
mit Motorktihlüng durch :den geförderten Luftstrom, F i g. 4. ,den gleichen Vdntilätöi
im Grundriß, F i g. 5 dindii Querschnitt :dufch einen Ventilator mit axiäldm Luftaustritt,
F i.g. fr einen fährförmigen Pa`serkörpdr, F i g. 7 einen scheibenfö:mgen Faserkörper
und F i g. 8 ein Kurvenbl.ätt.
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F i g. 1 zeigt ein Beispiel .eines Läufers für ein Radialgebläse bzw.
einen =Ventilator erfiüdürigsgemäßer Bäüart. Die aus dem Aüßenraüm oberhalb des
Ventilätorä angesogene Lüft wird in Richtung des Pfeiles 2 in den Läufer gesogen,
der aus einenaus Fasern bestehenden Körper 3 besteht, der an einer Scheibe 4 befestigt
ist. Die ,Scheibe 4 sitzt mit ihrer verstifteten Nabe 5 auf der Welle Fdes Motors
6. Auf der Zuströmseite weist die Gebläsewan.d 7 einett abgeründeteti Einlauf 8
-auf. Durch eine Kappe 9 ist sie mit dem Motor 6 v.erbünddii. Dreht sich der Motor
6, so gelangt Luft durch den Faserkörper 3, wird nach und nach in der Drehrichtung
des Fasetkörpers 3 beschleunigt und tritt nach ,der Durchströmung der porösen Schicht
in Richtung der Pfeile 10 in den Sammelraum 11 .aus.
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Die F _i g. 2 zeigt den in der F i g. 1 im Querschnitt dargestellten
Radialventilator im Grundriß. Durch die Einläuföffnung 8 gelängt die Luft in den
rotierenden Faserkörper 3. :Der Faserkörper 3 rotiert in der Richtung des Pfeiles
14. Entsprechend der sich im freien Raum äüsbildenden Strömung zu einer runden Öffnung
mit Unterdruck hat die zuströmende Luft die Richtung 15, die sich mit der inneren
Umfangsgeschwindigkeit 17 des Faserkörpers 3 zu einer relativen Ausströmrichtung
16 zusammensetzt. Beim Durchströmen des Faserkörpers bewirken die Schubspannungen
in der Luft eine Mitnahme der Luft in Drehrichtung und die daraus entstehende Winkelgeschwindigkeit
der Luftteilchen eine Fliehkraft. Die relative Strömungsrichtung ändert sich und
entspricht beim Austritt dem Pfeil 18. Die Zusammensetzung mit :der höheren
Umfangsgeschwindigkeit 20 mn der Außenseite des Faserkörpers 3 liefert die
absolute Austrittrichtühg 19, in der die Luft in den Raum 11 einströmt. Dieser Raum
wird durch die Gebläsewand 7 begrenzt.
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An Tand der Geschwindigkeitsdreiecke 15, 16, 17 und 18, 19,
20 läßt sich zeigen, daß der bürchströmwiderstand in Funktion der Zuströriigeschwindigkeit
15 nahezu unabhängig sein müß Vom momentanen Aüstrittsvektöt 19. Veränderungen dtt
Richtung dieses Austrittsvektors 19 .durch Kanalströmutigen im Räum 11 verursachen
die niederfrequente Geräuschbildüng am Ventilator üblicher Baüatt, da sie bei Gittern
meist stärke Änderungen der Aüftilebs- und Widerständ'swerte zur Folge haben, die
zudem bis zur Ausbildung eines neuen Grenzschichbgleichge-Wichtes verzögert ablaufen.
Die, entstehenden Phäsenwiiikel durch zeitliche Verzgerung. sind für die Enetgiezüführ
in das niederfrequente Schällgsbiet die Uisaclie.
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Fällt diese Empfindlichkeit und Verzögerung weg, sö können die stets
vöthähdenen Umlagerungen des Abflusses im Känälraütri keine sick anfäclidnden oder
aüftechtethältdüdeü Schwankungen in der Spalt= durchstrdrriüng mehr hervorrufen.
bei -besondere Charakter der läminären Durchsttötriung, die die Räümwihkel 16 und
18 nicht geometrisch festlegt, ist die Ursache für diese weitgehende tntkoppdlung.
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Die F i g. 3 .zeigt einen Ventilator, der üe§onddte Vorteile aufweist.
Die in Richtung der Pfeile 2 zü= strömende Luft umströmt den Wulst 8 und tritt iri
den Faserkörper 3 ein. Die äUstretende Luft strömt gemäß Pfeil 12 teilweise in Fden
Räum zwisdhen der Gehäusewand 7 und dem Motor 6 und genieß Pfeil 13 teilweise direkt
iti den freien Gehäü§etäuin. Die Radscheibe kann dabei eine besondere Form gedhäß
21 erhalten, die eine verlustarme Unilenkung der Strömung begünstigt. Die Scheibe
21 ist durch eine Nabe 5 tritt der Motorwelle verbunden, und die Grundplatte 22
verbindet -die Gehäüseivand 7 finit dem Motorflansch..
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Die F i g. 4 zeigt eüien Schnitt in Richtung der Linie A-A der F i
g. 3. Die Fdurch die Eintrittsöffnung, 1 in Fden Faserkörper 3. eintretende
Luft wird .gemäß .den Pfeilen 23, 24, 5, 26 und 27 in der< Räum 28 ausgestoßen.
Beim Ursprung des Pfeiles 27 ist die Gehäusewand 29 noch seht nahe am Faserkörper
3. Die .austretende Luft ist daher gezwungen, gemäß dem punktierten Teil des Pfeile§
11 ünferhälb
des Faserkörpers 3 um das Gehäuse des Motors 6 herum
abzuströmen. Die Luft wird ,dabei von der Leitzunge 30 geführt und gemäß Pfeil 25
in den Raum 28 geleitet.
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Beim Ursprung .des Pfeiles 26 ist schon mehr Raum in radialer Richtung
vorhanden. Er reicht jedoch noch nicht aus, so daß sich immer noch eine zumindest
teilweise Luftverdrängung in den tiefer liegenden Raum 31 um den Motor 6 ergibt.
Die mittlere Luftaustrittsrichtung entspricht etwa dem Pfeil 24.
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Der Pfeil 23 zeigt an, daß in diesem Abschnitt die Luft radial direkt
abströmen kann und nicht in den Raum unterhalb der Scheibe ausweichen muß. Die Leitzunge
30 bildet den Anfang des eigentlichen Diffusorraumes 28, in dem die Abströmgeschwindigkeit
verzögert wird.
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Diese Anordnung hat besondere Vorzüge. Bei Kleingebläsen mit Fördermengen
bis zu 2001/sec und Drücken bis zu 30 bis 40 mm WS werden aus preislichen Gründen
Elektromotoren verwendet, die hohe thermische Verlustanteile haben, insbesondere
Spaltpolmotoren. Diese Motoren müssen gekühlt werden. Gewöhnlich erfolgt dies durch
einen Zusatzpropeller auf der Motorachse, dem aber günstige aerodynamische Voraussetzungen
weitgehend fehlen.
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Da der Motor ohnehin zu dem Gebläsevolumen gehört und bei der im Apparatebau
üblichen rechteckigen Raumeinteilung in ganzer Tiefe einen toten Raum bildet, ist
es sehr günstig, die Motorumgebung als Sammelkanal zu benutzen. Der Motor ist dann
unmittelbar und wirksam gekühlt, .die Verzögerung der austretenden Luft kann auf
kleinstem Raum bis zur Äquivalenz von Ein- und Austrittsquerschnitt geführt werden,
und die Anwendung von Leitzungen gemäß der in der F i g. 4 gezeigten Anordnung ermöglicht
es, am Austritt sehr gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilungen zu erhalten.
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Die F i g. 5 zeigt im Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Gebläse mit
axialem Luftaustritt.
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Die in der Richtung der Pfeile 2 zuströmende Luft tritt in den Faserkörper
3 ein und anschließend in der Richtung der Pfeile 32 wieder in Achsrichtung aus
einem Ringraum 33 aus. Die Scheibe 34 ist als Glocke ausgebildet und
kann gleichzeitig den Innenkonus eines Diffusorraumes im Bereich ,der Pfeile 32
bilden. Im Ringraum 33 wird :die Strömung umgelenkt, wobei eine besonders gute Haftung
durch die Kontinuität der Grenzschicht an der Glocke 35 entsteht, die die Umlenkung
begünstigt.
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Die Umlenkung wird :durch den sogenannten Coanda-Effekt begünstigt,
demzufolge stets .dann, wenn ein Luftstrom in einen Kanalabschnitt eintritt, bei
dem auf einer Wandseite die Voraussetzungen zur Ablösung der Wandgrenzschichten
geschaffen sind, der Luftstrom dazu neigt, den Wänden mit intakten Grenzschichten
zu folgen, und zwar :auch dann, wenn die Ablösung beim Eintritt in einen freien
Raum erfolgt.
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Bei dieser Anordnung gestattet die Luftrückführung durch Öffnungen
36 eine Kühlung des Motors 6. Die Luft strömt bei 37 aus -dem Druckraum zu. Die
im Bereich der Austrittsquerschnitte aus Rippen 38 bestehende Grundplatte 39 verbindet
das Gehäuse 8 und den Motor 6.
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Der Faserkörper hat nur geringe Rückwirkung auf die Strömung und ergibt
keinerlei zusätzliche Verwirbelung, die bei einem normalen Schaufelgitter unvermeidlich
ist. Er ist geräuschmäßig dem Axialge= bläse überlegen, und seine Abmessungen sind
bei gleichen Luftleistungen nicht wesentlich größer.
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Die F i g. 6 zeigt eine besondere Ausführungsform des Läufers in perspektivischer
Darstellung. Der Läufer ist hier durch einen Faserkörper in Ring- oder Rohrform
dargestellt, deren Fasern hauptsächlich in einer Rotationsebene liegen. Versuche
zeigten, daß der Durchströmwiderstand in der waagerechten Ebene bedeutend kleiner
ist und abströmseitig die gleichen guten Gittereigenschaften auftreten, wie sie
bei Scheibengittern beobachtet wurden. Die radiale Erstreckung 40 der Faserstruktur
kann dabei derart gewählt werden, daß .die von einem inneren Tragkorb, bestehend
aus Ringen 41 und Stäben 42, ausgehenden Störungen durch viskose Dämpfung völlig
aufgehoben werden.
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Viskose Dämpfung bedeutet, daß die Geschwindigkeitsunterschiede der
Wirbel, die von Ringen oder Stäben bei Umströmung ausgehen, im nachfolgenden Fasermaterial
ausgeglichen werden. Die laminare Durchströmung im Fasermaterial hat größere Widerstände
für rasche Stromfäden als für langsame Stromfäden, sie wird also diese Unterschiede
rasch vermindern und eine mittlere Durchströmung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit
erzwingen. Dies entspricht dem Verhalten eines Öldämpfers, der von einem bewegten,
aber in Bewegungsrichtung noch zusätzlich zitternden Stab nur .die mittlere Geschwindigkeit
weitergibt, die zusätzlichen Schwingungen aber in Wärme umsetzt.
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Die F i g. 7 veranschaulicht einen Faserkörper ohne innere Ausnehmung
in Scheibenform (Faser-Vollzylinder). Die Luft tritt in der Richtung der Pfeile
43 axial in den Körper ein, um dann in der Richtung der Pfeile 44 radial wieder
auszuströmen.
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Infolge der Filterwirkung der geschichteten Faser tritt zugleich mit
der Luftförderung eine Luftfilterung ein. Solche Faserkörper erfüllen also zugleich
Aufgaben der Luftfilterung und schützen daher bei der Ausbildung gemäß den F i g.
3 und 4 den Motor vor Verschmutzung durch unsaubere Kühlluft. Von erheblicher Bedeutung
für den Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kombination von Luftförderung .und
Filterung im Vergleich zur üblichen Trennung von Luftförderung und Filterung ist
der Umstand, daß bei der Durchströmung des Filterbettes den Luftteilchen durch das
Fliehkraftfeld ständig Energie zugeführt wird. Die Notwendigkeit einer Fernwirkung
:durch überdruck oder Unterdruck mit zugeordneten Diffusor- und Kanalverlusten zwischen
einem Ventilator und einem Filter entfällt. Die Gleichzeitigkeit von Energiezufuhr
durch den Faserkörper und Energieverbrauch durch die Filterdurchströmung stellt
wesentlich höhere Wirkungsgrade in Aussicht als bei der räumlichen Trennung mit
der übertragung durch Druck und Unterdruck im Luftstrom.
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Die F i g. 8 zeigt Meßergebnisse hierzu. Der Ventilator mit laminar
durchströmtem Läufer hat eine Kennlinie gemäß I. Die Kurve II zeigt die Druck-Mengen-Kennlinie
eines hochwertigen Radialgebläses mit 150 mm Laufraddurchmesser. Die Kurve HI zeigt
den Wirkungsgrad eines entsprechenden Gebläses, aber mit einem rotierenden, zugleich
als Filter wirkenden Faserkörper gemäß der Erfindung. Die Kurve IV zeigt den Wirkungsgrad
des hochwertigen Radialgebläses der Kurve II in Kombination mit
einem
separaten Luftfilter. Trotz des hohen Radwirkungsgrades von 4811/o ergibt demnach
die Kombination mit einem separaten Luftfilter nur einen Maximalwirkungsgrad von
19,7°/o gemäß 99, Kurve IV, und infolge der erwähnten Gleichzeitigkeit von Förderung
und Filterung liegen die Wirkungsgrade für die erfindungsgemäßen Gebläseläufer wesentlich
höher, sie erreichen für einen Rotor mit 150 mm Durchmesser und gleichem Filtermaterial
30,211/o gemäß 98, Kurve In.