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Einrichtung zur Geräuschminderung an vielschaufligen Radiallüftern
zur Belüftung elektrischer Maschinen Bei üblicherweise als Radiallüfter ausgebildeten
Lüftern elektrischer Maschinen tritt häufig der Fall ein, daß aus Raumgründen das
Lüftergehäuse die Lüfterschaufeln mit möglichst engem Abstand umgeben muß, so daß
die Lüfterschaufeln unmittelbar an den Kanten des Lüftergehäuses vorbeistreifen.
Hierdurch wird das Lüftergeräusch stark erhöht, und zwar entstehen auf diese Weise
äußerst störend empfundene Sirenentöne. Diese Sirenentöne ließen sich an sich dadurch
mindern, daß man das Lüftergehäuse größer ausbildet und insbesondere die in der
Nähe der Lüfterschaufeln befindlichen Kanten weiter von den äußeren Rändern der
Lüfterschaufeln entfernt. Häufig ist dies jedoch nicht möglich, weil für die Unterbringung
des Lüfters, wie es bei Bahnmotoren der Fall ist, nur ein relativ beengter Platz
zur Verfügung steht.
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Zur Herabsetzung der Sirenentöne ist es bereits bekannt, bei einem
vielschaufligen Lüfter die Abstände zwischen benachbarten Lüfterschaufeln nicht
gleichmäßig zu wählen, sondern in der Aufeinanderfolge längs des Lüfterumfanges
um kleine Beträge monoton wachsen zu lassen. Damit keine zu starke Unwucht auftritt,
wird der Lüfterumfang in zwei Sektoren unterteilt; innerhalb jedes Sektors sind
dann die Abstände benachbarter Lüfterschaufeln in ihrer Aufeinanderfolge der Größe
nach geordnet. Durch dieses monotone Wachsen der längs des Lüfterumfanges aufeinanderfolgenden
Abstände zwischen den Lüfterschaufeln, wobei sich die aufeinanderfolgenden Abstände
benachbarter Lüfterschaufeln nur verhältnismäßig wenig voneinander unterscheiden,
werden besonders günstige Eigenschwingbedingungen für die an sich zu unterdrückenden
Lüftertöne geschaffen. Mit dieser bekannten Anordnung wird also lediglich eine Frequenzmodulation
gegenüber dem Lüfterton eines gleichmäßig geteilten Lüfters erzielt. Die durch diese
Frequenzmodulation entstehenden Lüftertöne sind aber dem Ohr besonders unangenehm.
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Weiterhin ist es bekannt, die Lüfterschaufeln längs des Lüfterumfanges
in mehrere Gruppen zusammenzufassen. Während die Abstände zwischen benachbarten
Lüfterschaufeln innerhalb jeder Gruppe gleich groß sind, wird der Abstand zwischen
der letzten Schaufel einer Gruppe von Lüfterschaufeln und der ersten Schaufel der
folgenden Gruppe kleiner gewählt als der innerhalb einer Gruppe eingehaltene Abstand.
Auch hierdurch ist keine Verminderung der Sirenentöne eines Lüfters zu erzielen.-Auch
bei einem bekannten Axialgebläse sind die Lüfterschaufeln in monoton sich verringernden
Abständen voneinander angeordnet; die Profillängen der Lüfterschaufeln sind derart
abgestuft, daß das Verhältnis der Summe der Profillängen von zwei benachbarten Lüfterschaufeln
zur Schaufelteilung über den ganzen Umfang gleich groß ist. Nachteilig ist die wesentliche
Verminderung der Profillängen eines großen Teiles der Lüfterschaufeln, wodurch der
Wirkungsgrad des Lüfters beeinträchtigt wird. Außerdem entstehen durch die Anordnung
der Lüfterschaufeln nur schwer ausgleichbare Unwuchten.
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Bei einem vierflügeligen Lüfter, bei dem jeweils zwei Lüfterschaufeln
um 180° versetzt angeordnet sind, ist es ferner bekannt, die durch die Lüfterschaufeln
gehenden Achsen, die bei gleichmäßiger Anordnung der Lüfterschaufeln einen Winkel
von 90° gegeneinander einschließen, stark gegeneinander zu verdrehen. Die völlig
symmetrische und regelmäßige Folge der Abstände zwischen benachbarten Lüfterschaufeln
- es folgt auf einen kleinen Abstand jeweils ein großer und hierauf wieder ein kleiner
usw. - ist nicht geeignet, die Sirenentöne herabzusetzen.
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Schließlich ist es für Schleuderpumpen bekannt, zwischen den mit konstantem
Abstand angeordneten Hauptschaufeln Zwischenschaufeln vorzusehen, deren Abstand
stetig oder gruppenweise in der Drehrichtung abnimmt. Diese Anordnung, die dazu
dient, Wirbelungen zwischen zwei Hauptschaufeln zu unterbinden, ist symmetrisch
und demzufolge ebenfalls nicht geeignet, Sirenentöne zu vermindern.
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Zur weiteren Verbesserung der Geräuschverhältnisse bei Radiallüftern
betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Geräuschminderung an vielschaufligen
Radiallüftern zum Belüften elektrischer Maschinen, deren vorzugsweise gleich breite
Lüfterschaufeln ungleiche Abstände voneinander aufweisen. Gemäß der Erfindung sind
die Abstände; (t) zwischen benachbarten Schaufeln aus der möglichst gleichmäßigen
Teilung
der Differenz zwischen dem größten(tmax) und dem kleinsten Abstrnd (tmin) durch
die Schaufelzahl (z) ermittelt, wobei der Ungleichmäßigkeitsgrad
in bekannter Weise mindestens gleich 0,5, vorzugsweise größer als 1,0 ist. Außerdem
ist das Lüfterrad in mindestens zwei gleiche oder nahezu gleiche Sektoren mit gleicher
Schaufelzahl unterteilt, und in jedem Sektor weicht die Aufeinanderfolge der Abstände
von ihrer zahlenmäßig geordneten Aufeinanderfolge stark ab und ist von Sektor zu
Sektor unwiederholt anders.
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Neben einem großen Ungleichmäßigkeitsgrad, d. h. einem großen Unterschied
zwischen dem größten Abstand benachbarter Lüfterschaufeln und dem kleinsten Abstand
benachbarter Lüfterschaufeln, ist es also für die Erfindung wesentlich, daß die
Lüfterschaufeln möglichst unregelmäßig längs des Umfanges des Lüfters verteilt sind.
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Dadurch tritt in überraschender Weise der Vorteil ein, daß das Lüftergeräusch
zu einzelnen Tönen mit stark voneinander abweichenden Frequenzen auseinandergezogen
wird. Es entstehen nämlich bei dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Lüfter beim
Vorbeistreichen der Lüfterschaufeln an den in ihrer Nähe befindlichen Kanten des
Lüftergehäuses, insbesondere also an den Ansaug- oder Ausblasöffnungen, nicht mehr
vereinzelte Töne besonders großer Intensität, sondern eine Vielzahl von Tönen mit
voneinander abweichenden Frequenzen. Diese Töne sind also getrennt wahrnehmbar und
beaufschlagen nicht den gleichen Gehörnerv. Der Schalldruckpegel der einzelnen Töne
ist so gering, daß diese unterhalb der Mithörschwelle liegen und durch das allgemeine
Rauschgeräusch verdeckt werden und somit nicht wahrnehmbar sind. Würden dagegen
die Abstände benachbarter Lüfterschaufeln nicht so stark ungleich ausgebildet sein,
so könnten zwei Töne so eng aneinanderliegen, daß sie vom Ohr als nur ein Ton mit
entsprechend größerem Schalldruckpegel wahrgenommen werden, so daß die Gefahr bestehen
würde, daß die beiden Töne die Mithörschwelle überschreiten.
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Obwohl der Fachmann auf Grund von strömungstechnischen Überlegungen
geneigt ist, bei Lüftern die Schaufelabstände möglichst wenig vom günstigsten mittleren
Abstand abweichen zu lassen, zeigt es sich, daß bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten
Lüfter trotz der sehr ungleichmäßigen Verteilung der Lüfterschaufeln die Lüfterverluste
und die Förderungsmenge nur geringfügig beeinflußt werden, so daß der erzielte Vorteil
der Geräuschverminderung nicht durch andere Nachteile erkauft wird.
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Die wirksamste Geräuschverminderung wird daher erreicht, wenn sämtliche
Abstände t zwischen benachbarten Lüfterschaufeln voneinander verschieden gewählt
werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß auch bereits dann, wenn mehrere Zahlenwerte
für die Abstände t nur relativ wenig vom Mittelwert tmittet abweichen und teilweise
sogar übereinstimmen, eine beachtliche Verminderung der Lüftergeräusche erzielt
wird, wenn nur der Ungleichmäßigkeitsgrad genügend groß gewählt ist.
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Für die Durchführung des Erfindungsgedankens ist es besonders vorteilhaft,
die Differenz zwischen den Zahlenwerten tmax und tmin möglichst groß zu wählen Die
Grenze, bis zu der man hierbei gehen kann, ist durch aerodynamische Bedingungen
festgelegt. So wird der größtmögliche Wert für den Abstand t.= dadurch bestimmt,
daß innerhalb des Raumes zwischen den beiden mit diesem großen Abstand voneinander
angeordneten Lüfterschaufeln keine Verwirbelungen der vom Lüfter geförderten Luftmenge
auftreten darf. Der kleinste Abstand tmin zwischen benachbarten Lüfterschaufeln
ist hingegen durch die Forderung festgelegt, daß hierdurch keine zusätzliche Drosselung
der vom Lüfter geförderten Luftmenge hervorgerufen werden darf.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in F i g. 1 und 2 als Ausführungsbeispiel
der Radiallüfter eines Bahnmotors in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die F
i g. 1 gibt hierbei den Schnitt A-B der F i g. 2 wieder.
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Zwischen den beiden Lüfterkränzen L, und L, sind die Schaufeln
1 bis 16 angeschweißt, so daß die Anzahl Z der Schaufeln gleich sechzehn
ist. Die Anordnung der Schaufeln 1 bis 16 zwischen den Lüfterkränzen L, und L, ist
so getroffen, daß alle Abstände t,. bis t" verschieden groß sind. Der kleinste Abstand
zwischen benachbarten Schaufeln ist der Abstand t, = t.in = 11 ° zwischen
den Schaufeln 10 und 11,
während der größte Abstand der Abstand t"
= t"sax = 40° zwischen den Schaufeln 14 und 15 ist. Die Abstände t,
bis t, sind derart bezeichnet, daß sie in der Reihenfolge t" t2, t3, . . .,
t, eine Folge von der Größe nach geordneten, monoton ansteigenden Zahlenwerten bilden.
Der dargestellte Lüfter hat also den Ungleichmäßigkeitsgrad
Wesentlich für den Lüfter ist, daß außer diesem hohen Ungleichmäßigkeitsgrad die
Reihenfolge der Zahlenwerte t benachbarter Schaufeln möglichst weit von der Reihenfolge
der der Größe nach geordneten Zahlenwerte der Abstände t abweicht. Zur Erfüllung
dieser Forderung und zur Erzielung einer möglichst kleinen Unwucht der ungleichmäßig
längs des Lüfterumfanges verteilten Schaufeln kann man beispielsweise folgendermaßen
vorgehen: Man wählt für die Anzahl Z der Schaufeln eine Zahl, die durch die ganze
Zahl n teilbar ist, wobei n
vorzugsweise gleich 3, 4 oder 5 ist. Der
Lüfterumfang wird dann in n gleiche oder nahezu gleiche Sektoren unterteilt, wobei
in jedem Sektor die gleiche Anzahl von Schaufeln angeordnet wird.
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In dem Ausführungsbeispiel ist n = 4 gewählt. Der Lüfter ist daher
längs seines Umfanges in die vier gestrichelt eingezeichneten Sektoren I bis IV
unterteilt, wobei sich in jedem Sektor vier Schaufeln befinden. Bei dieser Zählung
wird jeweils nur die eine der die Grenzen des Sektors bildenden Schaufeln mitgezählt.
Die Sektoren I bis IV entsprechen also jeweils einem aus vier längs des Lüfterumfanges
aufeinanderfolgenden Zahlenwerten t bestimmten Winkel.
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Zur Anordnung der Abstände t zwischen benachbarten Schaufeln innerhalb
jedes Sektors werden aus der Folge der der Größe nach geordneten Zahlenwerte
t als Unterfolge n Zahlenwerte ausgewählt, die in der Folge möglichst nicht
unmittelbar aufeinanderfolgen. Jedem Sektor wird dann eine Unterfolge zugeordnet.
Anschließend permutiert man in jedem Sektor
die Reihenfolge der
Zahlenwerte der ausgewählten Unterfolge gegenüber den anderen Sektoren.
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Dieses Verfahren sei an Hand des dargestellten Lüfters erläutert.
Man stelle sich die Zahlenwerte t1
= tmin bis
t16 = tmax als eine
Folge von der Größe nach geordneten Zahlenwerten vor, also t1,
t2, t3, . .
.,t". Aus dieser Folge werden jeweils - 4 = 4 Zahlenwerte herausgegriffen, die in
der Folge t1,
t2, t3, . . . , t16
möglichst nicht unmittelbar aufeinanderfolgen.
Diese vier jeweils eine Unterfolge bildenden Zahlenwerte werden dann einem Sektor
zugeordnet. Es ergibtsich dann beispielsweise das nachfolgende Schema 1:
Element Sektor |
I II III Iv |
i |
a 1, t3 t1 t2 |
b t, t6 t5 t6 |
C tg t12 t10 t11 |
d t14 ', t15 t13 t16 |
Jede Unterfolge der den einzelnen Sektoren I bis IV zugeordneten Zahlenwerte t besteht
also aus den Elementen
a, b, c und
d. Um zu erreichen, daß die Reihenfolge
der Zahlenwerte t längs des Lüfterumfanges aufeinanderfolgender Abstände zwischen
benachbarten Schaufeln möglichst weit von der Reihenfolge der der Größe nach geordneten
Zahlenwerte der Abstände
t abweicht, werden die Elemente
a bis
d der den vier Sektoren I bis IV zugeordneten Unterfolgen beispielsweise
nach folgendem Schema 2 permutiert:
1 1 1I 1 111 IV |
d C d b |
b d a d |
a a b C |
C b C a |
Werden die im Schema 1 angegebenen Unterfolgen in dieser Weise permutiert, so ergibt
sich die in der F i g. 2 dargestellte Reihenfolge der Abstände t zwischen benachbarten
Schaufeln, die folgendem Schema 3 entsprechen:
1 11 ( 111 IV |
t14 t12 t13 t6 |
t7 t15 t1 t16 |
t4 t3 t5 t11 |
t9 t6 t10 t2 |