DE19881809C2

DE19881809C2 - Vorrichtung zur Einleitung von Saugluft in ein Laufrad eines Ventilators

Info

Publication number: DE19881809C2
Application number: DE19881809T
Authority: DE
Inventors: Shiro Hayashi; Naotaka Kuramoto
Original assignee: Showa Furyoko Kikai Co Ltd
Current assignee: Showa Furyoko Kikai Co Ltd
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1998-10-22
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2018-10-23
Also published as: DE19881809T1; WO1999022146A1; US6190125B1; JPH11125219A; JP3584704B2; KR20000069691A; KR100402987B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einleitung von Saugluft in ein Laufrad eines Ventilators gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art.

Aus der DE 39 27 791 A1 ist ein Ventilator mit einem Laufrad bekannt, der angrenzend an eine Saugleitung des Ventilators zur Stabilisierung der Strömung eine ring förmige Luftkammer mit Verbindungskanälen zur Sauglei tung aufweist.

Es wirkt sich auf die Leistung dieses Ventilators und ähnlicher Ventilatoren der Vordrall der Saugluft nachteilig aus.

Es gibt jedoch schon verschiedene technische Vorschläge zur Unterdrückung des Vordralls der Luft, die das Lauf rad einer Pumpe und/oder eines Ventilators anströmt. Dabei ist ein flaches oder zylindrisches Ablenkblech vorgesehen, das in dem Bereich vor dem Laufrad inner halb einer Saugleitung angebracht ist, das die Unter drückung des Vordralls der Ansaugluft, die das Laufrad anströmt, unterstützt. Eine kegelförmige Saugleitung verringert den ungünstigen Einfluss aufgrund des Vor dralls.

Allgemein wird das Entstehen des Vordralls wie folgt dargestellt: wenn Umkehrstrom (Wirbelstrom) im Bereich vor dem Laufrad innerhalb einer Saugleitung einer Pumpe und/oder eines Ventilators entsteht, ergibt sich ein Vordrall des Luftstroms. Aufgrund dieser vorbekannten Theorie enthalten die oben genannten Vorschläge keine konkreten Angaben zur Drallregelung der aus der Tangen tialgeschwindigkeit des Vordralls entstehenden Energie.

Die Funktionsweise des Vordralls der Luft, die das Laufrad anströmt, ist dabei wie folgt:
Im Bereich vor dem Laufrad innerhalb einer Saugleitung einer Pumpe oder eines Ventilators wird der Vordrall gemäß dem Prinzip des geringsten Widerstandes erzeugt. Die Drehrichtung des Vordralls ist nicht immer mit der des Ventilatorlaufrades identisch, da der Vordrall nicht deswegen erzeugt wird, weil die Laufradschaufeln direkt Kraft auf die Luft aufbringen. Der Vordrall weist eine Tangentialgeschwindigkeit mit der der Dre hung des Laufrades identischen Richtung auf, wenn die konstruktive Normalleistung geringer ist als üblich. Auf der anderen Seite weist er eine Tangentialgeschwin digkeit mit der der Drehung des Laufrades entgegenge setzten Richtung auf, wenn die konstruktive Normalleis tung höher als üblich ist. Es ist anzumerken, dass der Umkehrstrom (Wirbelstrom) im Bereich vor dem Laufrad innerhalb einer Saugleitung als Folge des Vordralls er zeugt wird, da der Vordrall nicht durch den Umkehrstrom entsteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung zur Einleitung von Saugluft in ein Laufrad eines Ventilators gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art derart weiterzubilden, dass der Wir kungsgrad des Ventilators verbessert wird. Insbesondere soll dabei die Wellenleistung des Ventilators verrin gert und/oder der Druck (Druckhöhe) am Laufrad eines Ventilators erhöht werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, die Luft strömung innerhalb einer Saugleitung im Bereich nahe des Laufrades zu verbessern und dadurch das Ventilator geräusch zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs in Verbindung mit den Oberbegriffs merkmalen gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Verminderung des Vordralls der Saugluft in der Sauglei tung der Druck auf das Laufrad erhöht, somit der Wir kungsgrad des Ventilators verbessert wird und dies durch Ausbildung des Bereiches vor dem Laufrad und durch bestimmte Anordnung von Mündungslöchern vor dem Laufrad erreicht werden kann.

Nach der Erfindung werden daher zur Reduzierung des Vordralls der Saugluft in der Saugleitung des Ventila tors pro Reihe zumindest drei Mündungslöcher von Ver bindungskanälen in Strömungsrichtung hintereinander an geordnet, wobei der Abstand zwischen dem am weitesten stromaufwärts befindlichen Mündungsloch und dem am wei testen stromabwärts befindlichen Mündungsloch pro Reihe 0,4 bis 2 Mal so groß wie der Innendurchmesser der Saugleitung im Bereich unmittelbar vor dem Laufrad ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1, zeichnet sich die Erfin dung dadurch aus, dass eine einen geschlossenen Raum bildende Luftkammer 3 außerhalb der Saugleitung 2 im unmittelbar vor dem Laufrad liegenden Bereich vorgese hen ist und mehr als drei Verbindungskanäle 4 zur Ver bindung zwischen der Luftkammer 3 und der Saugleitung 2 in Strömungsrichtung der Ansaugluft vorgesehen sind, um Luftdruck von der Saugleitung 2 in die Luftkammer 3 und umgekehrt weiterzuleiten und über die Verbindungskanäle 4 Luft zuzuführen und um Bypass-Wege in der Saugleitung 2 durch die Luftkammer 3 und die Verbindungskanäle 4 zu bilden, wobei ein Bypass-Strom 5a (siehe Fig. 8) in ei nem Teil der Ansaugluft entsteht.

Ein erstes Ziel ist es, eine Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung in der Saugleitung eines Ventilators bereitzustellen, um die Leistung des Ventilators zu verbessern, und zwar durch Verringern der Wellenleis tung des Ventilators und/oder durch Erhöhung des Dru ckes (Druckhöhe) am Laufrad eines Ventilators, was durch die Drallregelung der aus der Tan gentialgeschwindigkeit des Vordralls, der im Bereich vor dem Laufrad innerhalb einer Saugleitung eines Ven tilators erzeugt wird, entstehenden Energie erreicht wird, wie aus der oben beschriebenen Theorie von STEPA NOFF hervorgeht. Ein weiteres Ziel liegt darin, die Luftströmung innerhalb einer Saugleitung im Bereich na he des Laufrades zu verbessern und dadurch das Ventila torgeräusch zu verringern.

Die vorliegende Vorrichtung wird angewendet bei einem an der Saugleitung angeordneten Ventilatoreintritt, um Saugluft in das Ventilatorlaufrad einzuführen.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Luftkammer 3 ein Kasten 3A, der außerhalb der Saugleitung 2 angebracht ist, und die Verbindungskanäle 4 sind Rohre 4A, die die Saugleitung 2 mit dem Kasten 3A verbinden. Wenn, wie z. B. in Fig. 13 gezeigt, eine zylindrische geschlos sene Kammer 3B am Rand des Bereiches vor dem Laufrad einer Saugleitung 2 gebildet wird, sind die Löcher 4B, die in die Außenwandung 2m der Saugleitung 2, die die zylindrische Kammer 3B von der Saugleitung 2 trennt, gestanzt wurden, als Verbindungskanäle 4 verwendbar.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, besteht der Bereich vor dem Laufrad der Saugleitung 2 aus n zylindrischen Abschnit ten 2 ₁, 2 ₂, . . ., 2 _n-1 und 2 _n mit jeweils unterschied lichem Innendurchmesser in Strömungsrichtung der Saug luft und aus Kegelstumpfabschnitten 2a₁, 2a₂, . . . 2a_n-2 und 2a_n-1 zur Verbindung der zylindrischen Abschnitte, wobei der größte Innendurchmesser mit d_MAX und der kleinste Innendurchmesser mit d_MIN angegeben ist, und die axiale Länge der Kegelstumpfabschnitte ist B_i (wo bei i = 1, 2, 3, . . . und n - 1); wenn es sich um einen zentrifugalen Radialventilator 11 (siehe Fig. 4(a)) handelt, der kein Seitenblech saugseitig in Richtung der Laufradachse 1a der Schaufeln 1A₁ aufweist, wird ein Referenzpunkt Z_Pa auf der Laufradachse, der dem Eintrittsende p_a1 der Schaufeln entspricht, ausgewählt, wenn das Eintrittsende p_a1 der Schaufeln, die seitlich an der Saugleitung der Laufradschaufeln 1A₁ angebracht sind, der Saugleitung näher ist als das Austrittsende p_a2 in Richtung der Laufradachse 1a, wird die Länge vom Referenzpunkt Z_pa zum stromaufliegenden Punkt der By pass-Einrichtung 5 zur Vordrallregelung mit Z₁ angege ben und die Länge vom Referenzpunkt Z_pa zum stromablie genden Punkt wird mit Z₂ angegeben, dann zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß das Einbauverhältnis zwischen der Bypass-Einrichtung 5 zur Vordrallregelung und dem Laufrad 1 folgende Bedingungen erfüllen muß:

Z₁ ≦ 2.d_MAX + B_i und

0.03.d_MIN ≦ Z₂ < Z₁,

und, falls d_MAX < 100 mm und d_MIN < 100 mm ist, dann gilt

0.4.d_MIN < Z₁ - Z₂

und, falls d_MAX ≦ 100 mm und/oder falls d_MAX < 100 mm und d_MIN ≦ 100 mm ist, dann gilt

40 mm < Z₁ - Z₂.

Wie aus Fig. 4(b) hervorgeht, wird, wenn saugseitig kein Seitenblech entlang der Laufradachse 1a der Schau feln 1A₁ des zentrifugalen Radialventilators 11 vorge sehen ist und das Austrittsende p_b2 der Schaufeln, die seitlich an der Seite der Saugleitung der Schaufeln 1A₁ angebracht sind, näher an der Saugleitung ist als das Eintrittsende p_b1 in Richtung der Laufradachse 1a, dann wird der oben genannte Referenzpunkt dem Punkt Z_pb auf der Lauradachse zugewiesen, der dem Austrittsende p_b2 der Schaufeln entspricht. Wie aus Fig. 4(c) hervorgeht, wird andererseits, wenn die Schaufeln 1A₁ des zentri fugalen Radialventilators 11 saugseitig mit einem Sei tenblech 1p versehen sind, eine Hauptplatte 1q an den Schaufeln an der von der Saugleitung abgewandten Seite angebracht und ein Außenring 1m wird am Seitenblech an gebracht und der Referenzpunkt wird dem Punkt Z_Pc auf der Laufradachse 1a zugewiesen, der dem am weitesten stromauf liegenden Punkt des Außenrings 1m entspricht.

Wenn es sich um einen Axialventilator handelt, gilt folgendes: wie aus Fig. 5(a), hervorgeht, wird der oben genannte Referenzpunkt dem Punkt Z_Pd auf der Laufrad achse zugewiesen, der dem Schaufelfuß p_d1 an der Strom aufkante 1c der Schaufeln 1A₂ des Axialventilators 12 entspricht, wenn der Schaufelfuß p_d1 der Schaufeln nä her an der Saugleitung ist als die Spitze p_d2 in Rich tung der Laufradachse 1a, und, wie aus Fig. 5(b) her vorgeht, wird er dem Punkt Z_pe auf der Laufradachse zu gewiesen, der der Spitze p_e2 entspricht, wenn die Spit ze p_e2 der Saugleitung in Richtung der Laufradachse 1a näher ist als der Schaufelfuß p_e1.

Handelt es sich um einen kombinierten Ventilator, dann gilt folgendes: wie aus Fig. 6(a) hervorgeht, wird, wenn kein Seitenblech an der Spitze der Laufradschau feln 1A₃ des kombinierten Ventilators 13 vorgesehen ist und die Spitze p_f2 auf der Stromaufkante 1d der Schau feln der Saugleitung näher als der Schaufelfuß p_f1 in Richtung der Laufradachse 1a ist, dem Referenzpunkt der Punkt Z_pg auf der Laufradachse zugewiesen, der der Spitze p_f2 entspricht. Und wie aus Fig. 6(b) hervor geht, wird, wenn der Schaufelfuß p_g1 näher an der Saug leitung als die Spitze p_g2 in Richtung der Laufradachse 1a ist, dem Referenzpunkt der Punkt Z_pg auf der Lauf radachse zugewiesen, der dem Schaufelfuß p_g1 ent spricht. Falls, wie in Fig. 6(c) gezeigt, ein Außenring 1n am Seitenblech 1r, welches an die Kanten der Lauf radschaufeln 1A₃ befestigt ist, angebracht ist, wird dem Referenzpunkt auf der Laufradachse 1a der Punkt Z_ph zugewiesen, der dem am weitesten stromauf liegenden Punkt des Außenrings 1n entspricht.

Die Bypass-Wege werden von einer Luftkammer und Verbin dungskanäle gebildet, so daß der Luftdruck zwischen der Saugleitung und der Luftkammer durch die Verbindungska näle geleitet und ebenso Luft zugeführt werden kann, wodurch ein Bypass-Strom in einem Teil der Saugluft entsteht.

Folglich kann die aus der Tangentialgeschwindigkeit des Vordralls, der im Bereich vor dem Laufrad innerhalb der Saugleitung eines Ventilators erzeugt wird, entstehen de Energie durch Dralländerung geregelt werden und die Leistung des Ventilators kann durch Verringerung der Wellenleistung eines Ventilators und/oder durch Druck erhöhung auf das Ventilatorlaufrad verbessert werden. Außerdem wird das Ventilatorgeräusch verringert durch den verbesserten Luftstrom im Bereich nahe des Lauf rades innerhalb einer Saugleitung.

Falls eine Luftkammer in Form eines Kastens außerhalb der Saugleitung angebracht ist und die Verbindungs kanäle Rohre sind, die den Kasten mit der Saugleitung verbinden, können diese auch nachträglich eingebaut werden. Nicht nur die Ventilatorleistung kann verbes sert werden, sondern auch das Geräusch des Ventilators kann verringert werden. Wenn ein zylindrischer ge schlossener Raum, der sich am äußeren Rand des Be reiches vor dem Laufrad der Saugleitung befindet, als Luftkammer verwendet wird und die Löcher, die in die Außenwandung der Saugleitung gestanzt werden, die den zylindrischen geschlossenen Raum von der Saugleitung trennt, als Verbindungskanäle benutzt werden, kann ein kompakter Ventilator, der die oben genannte Wirkungs weise aufweist, hergestellt werden.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung wird dadurch unter stützt, daß die Länge von einem bestimmten Referenz punkt zu einem stromauf liegenden Punkt einer Bypass- Einrichtung zur Vordrallregelung und die Länge von ei nem oben genannten Referenzpunkt zu dem stromab liegen den Punkt geregelt wer den kann, und sich somit nützliche Hinweise zum Konstruieren ei nes Ventilators ergeben.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der fol genden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsschema der "Funktion (a)" zur Umwandlung der Energie entstehend aus der Tangentialge schwindigkeit des Vordralls in ei ner Saugleitung in effektive Ar beit in einer Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung in der Saugleitung eines Ventilators; die zwar nicht der Ausführung mit ei ner die Saugleitung ringförmig um schließenden Luftkammer nach der Erfindung entspricht, aber zur Veranschaulichung der Wirkung hilfreich ist;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines zentrifugalen Radialventilators als Beispiel E mit der eingebauten Bypass-Einrichtung zur Vordrallre gelung in einem Ventilator; die zwar ebenfalls nicht der Erfindung entspricht, aber zur Veranschaulichung der Wirkung hilfreich ist;

Fig. 3 ein Schema zur Erläuterung der Funktionsweise unter Angabe des jeweiligen Innendurchmessers einer Saugleitung, wobei die Saugleitung nicht von einer ringförmigen Luft kammer entsprechend der Erfindung umschlossen ist.

Fig. 4 eine spezielle Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkung nach der Erfindung in Form von Meridi anschnitten der Referenzpunkte in einem zentrifugalen Radialventila tor, wobei im Meridianschnitt (a) der saugseitige Eintritt an der Seitenkante der Schaufeln in Rich tung der Laufradachse weiter stromauf zur Saugleitung liegt als das Austrittsende, bei einer Ausführung, die weder ein Seitenblech noch einen Außenring an der Saugseite der Schaufeln in Richtung der Laufradachse aufweist, (b) ein Meridianschnitt ist, bei dem das Austrittsende der Saugleitung näher zugewandt ist als das Eintrittsende in Richtung der Laufradachse, und (c) einen Meridianschnitt für eine Ausfüh rung mit Außenring am Seitenblech zeigt, das saugseitig mit den Schaufeln verbunden ist;

Fig. 5 die Referenzpunkte in einem Axial ventilator in einer speziellen Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkung nach der Erfindung, wobei in (a) der Schaufelfuß an der stromaufliegenden Kante der Schaufeln in Richtung der Laufrad achse der Saugleitung näher zuge wandt ist als die Schaufelspitze, und (b) die Schaufelspitze mit der stromaufliegenden Kante der Schau feln der Saugleitung näherliegend als der Schaufelfuß in Richtung der Laufradachse zeigt;

Fig. 6 die Referenzpunkte in einem kombi nierten Ventilator in einer spe ziellen Darstellung zur Veran schaulichung der Wirkung nach der Erfindung, wobei in (a) die Schau felspitze an der stromaufliegenden Kante der Laufradschaufeln der Saugleitung näher zugewandt ist als der Schaufelfuß in Richtung der Laufradachse, und zwar bei ei ner Ausführung ohne Seitenblech oder Außenring an den Schaufeln, (b) den Schaufelfuß der Sauglei tung näherliegend als die Schau felspitze in Richtung der Laufrad achse zeigt und (c) einen Meridi anschnitt für eine Einrichtung mit einem Außenring an dem mit den Schaufeln saugseitig verbundenen Seitenblech zeigt;

Fig. 7 ein Funktionsschema ohne Bypass- Einrichtung zur Erläuterung der "Funktion (a)" für den Fall, daß der Ventilator eintrittsseitig Ka näle aufweist;

Fig. 8 ein Funktionsschema mit einer By pass-Einrichtung zur Erläuterung der "Funktion (a)" für den Fall, daß der Ventilator eintrittsseitig Kanäle aufweist;

Fig. 9 ein Funktionsschema ohne Bypass- Einrichtung zur Erläuterung der "Funktion (a)" für den Fall, daß am Ventilatoreintritt keine Kanäle angeordnet sind und die Sauglei tung ins Freie geht;

Fig. 10 ein Funktionsschema mit Bypass- Einrichtung zur Erläuterung der "Funktion (a)" für den Fall, daß am Ventilatoreintritt keine Kanäle angeordnet sind und die Sauglei tung ins Freie geht;

Fig. 11 ein Funktionsschema ohne Bypass- Einrichtung zur Erläuterung der "Funktion (b)", das zeigt, wie die Wellenleistung eines Ventilators durch Umwandeln der Energie aus der tangentialen Geschwindigkeit des Vordrallstroms in effektive Arbeit verringert werden kann, wenn am Ventilatoreintritt Kanäle angeordnet sind und die Saug leitung gerade und ziemlich lang ist;

Fig. 12 ein Funktionsschema mit Bypass- Einrichtung zur Erläuterung der "Funktion (b)" für den Fall, daß am Ventilatoreintritt Kanäle vor gesehen sind und die Saugleitung gerade und ziemlich lang ist;

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Axialventilators als Beispiel A, mit eingebauter Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung in einem Ven tilator;

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines zentrifugalen Radialventilators als Beispiel B mit eingebauter By pass-Einrichtung zur Vordrallrege lung in einem Ventilator; und

Fig. 15 eine perspektivische Ansicht eines zentrifugalen Radialventilators als Beispiel C mit eingebauter By pass-Einrichtung zur Vordrallrege lung in einem Ventilator.

Eine Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung in der Saugleitung eines Ventilators wird anhand einiger Zeichnungen vorteilhafter Ausführungsformen der Erfin dung erläutert; wobei die Fig. 1 bis 3 zwar nicht die Ausführung mit einer die Saugleitung ringförmig um schließenden Luftkammer nach der Erfindung zeigen, aber zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Wirkung hilfreich sind. Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines zentrifugalen Radialventilators 11, der mit einer Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung der Ansaugluft unmittelbar vor dem Laufrad der Saugleitung 2 ausgerüs tet ist, die die angesaugte Luft einem Laufrad 1 zu führt.

Eine einen geschlossenen Raum bildende Luftkammer 3 ist außerhalb der Saugleitung 2 im unmittelbar vor dem Laufrad liegenden Bereich vorgesehen und ist über meh rere in Strömungsrichtung der Ansaugluft angeordnete Verbindungskanäle 4 mit der Saugleitung 2 verbunden. Mindestens drei Verbindungskanäle sind in Strömungs richtung der Ansaugluft vorgesehen, wie nachstehend be schrieben wird. In Fig. 2 ist die einen geschlossenen Raum bildende Luftkammer 3 ein Kasten 3A, der außerhalb der Saugleitung 2 angeordnet ist. In dieser Ausführung bestehen die Verbindungskanäle 4 aus Rohren 4A, über die der Kasten 3A mit der Saugleitung 2 verbunden ist.

Diese Anordnung ergibt eine Bypass-Einrichtung 5 zur Vordrallregelung, die in einem Teil der Ansaugluft ei nen Bypass-Strom erzeugt. Konkret leitet der Verbin dungskanal 4 Luftdruck von der Saugleitung 2 in die Luftkammer 3 und umgekehrt und führt dieser Luft zu. Mehrere in Anströmrichtung des Laufrades angeordnete Bypasswege in der Saugleitung 2 werden durch die Kombi nation der Luftkammer 3 und der Verbindungskanäle 4 ge bildet.

Das Verhältnis der relativen Lage zwischen der Bypass- Einrichtung 5 zur Vordrallregelung und dem Laufrad 1 ist mit Z₁ und Z₂ in Fig. 3 angegeben. Der Pfeil 21 zeigt die Anströmrichtung der Saugluft zum Laufrad 1.

Der Bereich unmittelbar vor dem Laufrad der Saugleitung 2 ist als ein Beispiel dargestellt. Er besteht aus n zylindrischen Abschnitten 2 ₁, 2 ₂, . . ., 2 _n-1 und 2 _n mit jeweils unterschiedlichem Innendurchmesser in Strö mungsrichtung der Saugluft und Kegelstumpfabschnitten 2a₁, 2a₂, . . ., 2a_n-2 und 2a_n-1 zur Verbindung der zy lindrischen Abschnitte.

Ausgehend von Innendurchmessern der zylindrischen Ab schnitte 2 ₁, 2 ₂, . . . und 2_n von d₁, d₂, . . . und d_n, mit einem größten Innendurchmesser d_MAX und einem kleinsten Innendurchmesser d_MIN sowie einer axialen Länge der Kegelstumpfabschnitte 2a₁, 2a₂, . . . und 2a_n-1 von B_i (wobei i = 1, 2, 3. . . und n - 1) und von einem Abstand vom noch zu beschreibenden Referenzpunkt Z_P zum strom auf liegenden Punkt der Bypass-Einrichtung 5 zur Vor drallregelung Z₁ und einer Länge vom Referenzpunkt Z_P zum stromab liegenden Punkt Z₂ der Bypass-Einrichtung 5, muß das Einbauverhältnis zwischen der Bypass- Einrichtung 5 und dem Laufrad 1 folgende Bedingungen erfüllen.

Z₁ ≦ 2.d_MAX + B_i (a)

0.03.d_MIN ≦ Z₂ < Z₁ (b)

Der stromaufliegende Punkt der Bypass-Einrichtung 5 entspricht dem Mittelpunkt der Öffnung 4d₁ im Verbin dungskanal 4 ₁ am zylindrischen Abschnitt 2 ₁ und der stromab liegende Punkt der Bypass-Einrichtung 5 ent spricht dem Mittelpunkt der Öffnung 4d_n des Verbin dungskanals 4 _n am zylindrischen Abschnitt 2 _n. Ein Refe renzpunkt Z_P des Ventilators gibt die Position des saugseitigen Endes der Laufradschaufel in Richtung der Laufradachse 1a an, was dem am weitesten stromauf lie genden Ende eines Außenringes in Richtung der Laufrad achse 1a entspricht, sofern ein solcher Außenring am Seitenblech des Laufrades vorgesehen ist. Physikalisch ist dies der Ort, an dem die das Laufrad anströmende Luft direkt durch die Laufradschaufeln unter Druck kommt. Dieser Referenzpunkt Z_P wird im folgenden im einzelnen beschrieben, da er für jede Ventilatorausfüh rung unterschiedlich ist.

In der oben stehenden Gleichung (a) ist Z₁ kleiner oder gleich 2.d_MAX + ΣB_i gewählt, denn, wenn Z₁ größer ist als 2.d_MAX + ΣB_i, entsteht so gut wie kein Vordrall gemäß der Erfindung. Die Erfinder haben bereits bestä tigt gefunden, daß die Erfindung unter der Bedingung 2.d_MAX + ΣB_i unwirksam ist.

Desweiteren beträgt in der Gleichung (b) die Unter grenze für Z₂ 0.03.d_MIN, da der Abstand zwischen dem der Saugleitung am nächsten liegende Abschnitt des Laufrades 1 und dem Wirkbereich des Bypasses so klein wie möglich sein muß, um die Winkelgeschwindigkeit des Vordralls der das Laufrad anströmenden Luft zu ver ringern. Ist die Untergrenze andererseits kleiner als Z₁, so haben die Erfinder ebenfalls herausgefunden, daß der Wert auch groß sein kann, solange die nachstehend genannten Gleichungen (c) und (d) erfüllt werden. Ist Z₂ dagegen kleiner als 0.03.d_MIN, nähert er sich äu ßerst stark dem Referenzpunkt Z_P und befindet sich dann auf der gegenüberliegenden Seite der Saugleitung, die durch Z₃ geht, und erreicht damit den kritischen Punkt, an dem die das nachstehende Laufrad anströmende Luft nicht mehr durch die Schaufeln unter Druck kommt.

Wie vorstehend gezeigt, sind die nachstehenden Bedin gungen für die vorliegende Erfindung unerläßlich. Viele Versuche der Erfinder haben bewiesen, daß für die rela tive Positionierung zwischen der Bypass-Einrichtung und dem Laufrad die Erfüllung der nachstehenden Gleichungen ausschlaggebend ist. Für den Fall, daß d_MAX < 100 mm und d_MIN < 100 mm ist, gilt

0.4.d_MIN < Z₁ - Z₂ (c),

und für den Fall, daß d_MAX ≦ 100 mm ist und/oder d_MAX < 100 mm und d_MIN ≦ 100 mm, gilt

40 mm < Z₁ - Z₂ (d).

Diese Bedingungen gelten für das angestrebte Ziel, eine Bypass-Einrichtung im richtigen Bereich zur Erzeugung eines Bypass-Luftstromes zu schaffen.

Aus Vorstehendem geht hervor, daß für die Saugleitung 2 generell unterschiedliche Innendurchmesser unterstellt werden. Ist der Bereich der Saugleitung unmittelbar vor dem Laufrad ein Zylinder mit konstantem Innendurchmes ser d₀ (siehe Fig. 1) in Strömungsrichtung der Ansaug luft, gilt d_MAX = d_MIN = d₀ und B_i = 0, so daß sich die vorstehenden Gleichungen (a) und (b) einfach wie folgt darstellen lassen;

Z₁ ≦ 2.d₀ (a') und

0.03.d₀ ≦ Z₂ < Z₁ (b').

Hinzukommen die folgenden Bedingungen für die relative Positionierung zwischen der Bypass-Einrichtung 5 für die Vordrallregelung und dem Laufrad 1. Ist d₀ < 100 mm, dann gilt

0.4.d₀ < Z₁ - Z₂ (c'),

und ist d₀ ≦ 100 mm, dann gilt

40 mm < Z₁ - Z₂ (d').

In den nachstehenden Beispielen sind in die obenstehen den Gleichungen (a'), (b') und (c') konkrete Werte ein gesetzt.

(i) Ist der Durchmesser der Saugleitung d₀ = 200 mm, gilt
Z₁ ≦ 400,
6.0 ≦ Z₂ und
80 < Z₁ - Z₂.

(ii) Ist der Durchmesser der Saugleitung d₀ = 150 mm, gilt
Z₁ ≦ 300,
4.5 ≦ Z₂ und
60 < Z₁ - Z₂.

Werden für Z₁ und Z₂ die zweckmäßigen Werte zur Erfül lung der obigen Gleichungen gewählt, ergeben sich Kom binationen wie unter (A) in Tabelle 1 für (i) und unter (B) in Tabelle 1 für (ii) angegeben. (Einheiten in Mil limeter).

TABELLE 1

Es folgen weitere Beispiele für das Einsetzen konkreter Werte in die obigen Gleichungen (a'), (b') und (c').

(iii) Beträgt der Durchmesser der Saugleitung d₀ = 100 mm gilt
Z₁ ≦ 200,
3.0 ≦ Z₂ und
40 < Z₁ - Z₂.

(iv) Bei einem Durchmesser der Saugleitung von d₀ = 50 mm gilt
Z₁ ≦ 100,
1.5 ≦ Z₂ und
40 ≦ Z₁ - Z₂.

Werden für Z₁ und Z₂ die geeigneten Werte zur Erfüllung der obigen Gleichungen gewählt, ergeben sich Kombina tionen wie unter (A) für (iii) und unter (B) für (iv) in Tabelle 2 angegeben. (Einheit in Millimeter)

TABELLE 2

Im Falle eines zentrifugalen Radialventilators gemäß Fig. 2 ist der am weitesten stromauf liegende Punkt Z_Pc eines Außenringes 1m in Richtung der Laufradachse 1a auch der vorstehend genannte Referenzpunkt Z_P, wenn ein Seitenblech 1p an den Schaufeln 1A₁ eines Radiallauf rades saugseitig angebracht und eine Hauptplatte 1q an den Schaufeln an der von der Saugleitung abgewandten Seite vorgesehen und ein Außenring 1m am Seitenblech 1p gemäß Fig. 4(c) angebracht ist.

Ein Ventilator beinhaltet nicht nur ein rotierendes Laufrad 1, sondern auch eine Saugleitung 2 stromauf vom Laufrad. Wenn diese beiden Bauteile vorhanden sind, ist die Erzeugung eines Vordralls in der das Laufrad an strömenden Luft unvermeidlich. Für die relative Posi tionierung von Laufrad 1 und Saugleitung 2 sind daher die vorstehenden Kombinationen (Bemessungsangaben) an zuwenden, um die Energie aus der tangentialen Geschwin digkeit des Vordralls durch Dralländerung zu regeln. Die Erfindung betrifft im wesentlichen die Kombination von drei Elementen, d. h. ein Laufrad 1, eine Sauglei tung 2 und eine Einheit zur Vordrallregelung.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist eine stromauf vom Laufrad angeordnete Bypass-Einrichtung zur Regelung der Energie der das Laufrad 1 anströmenden Luft. Die Aus bildung der vorliegenden Bypass-Einrichtung umfaßt als einen Teil einen bestimmten Bereich der Saugleitung und enthält einen geschlossenen Raum, über den Luft außer halb der Saugleitung 2 strömt. Wie die nachstehend be schriebene Fig. 1 zeigt, besteht der geschlossene Raum aus einer Luftkammer 3, die über Verbindungskanäle 4 mit der Saugleitung 2 verbunden ist. Da mehr als drei Verbindungskanäle 4 in Strömungsrichtung der Luft durch die Saugleitung 2 vorgesehen sind, entstehen mehrere Bypasswege.

Bei der vorliegenden Einrichtung sind vorzugsweise die beiden nachstehenden Gegebenheiten zu berücksichtigen: (1) Der wirksame Bereich der Bypass-Ströme sollte rech nerisch entsprechend dem Durchmesser der Saugleitung unmittelbar vor dem Laufrad begrenzt definiert werden ebenso wie die axiale Länge der kegelstumpfförmigen Ab schnitte, um danach die relative Positionierung zum Laufrad festzulegen. (2) Vorzusehen sind mehrere By passwege aus geschlossenem Raum und Verbindungskanälen. Die Begründung hierfür liefert die nachstehende [Funk tion (a)]. Jedenfalls braucht jeder Verbindungskanal einen Strömungsweg zur Weiterleitung von Luftdruck von einer Saugleitung zu einer Luftkammer als einem ge schlossenen Raum und umgekehrt, und zur Zuführung von Luft dorthin.

Zum Verständnis der Erfindung ist folgendes zu beach ten: Zunächst müssen die Vorgänge verstanden werden, nach denen die Energie aufgrund der tangentialen Ge schwindigkeit des Vordrallstromes in der Saugleitung 2 in effektive Arbeit umgewandelt wird. Zweitens muß ver standen werden, warum die Leistung der Welle des Venti lators dadurch verringert wird, daß die Energie auf grund der Tangentialgeschwindigkeit des Vordralls in effektive Arbeit umgewandelt wird. Drittens ist das Verständnis erforderlich, warum eine Druckerhöhung (Druckhöhe) am Laufrad eines Ventilators entsteht, wenn die Geschwindigkeitskomponente in tangentialer Richtung des Vordralls verringert wird. Letzteres kann qualita tiv erklären, weshalb sich die Lärmabstrahlung des Ven tilators durch Anordnung der Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung verringern läßt. Die vorstehend ge nannten vier Gegebenheiten werden jeweils durch die [Funktion (a)] bis [Funktion (d)] nachstehend im ein zelnen beschrieben.

Jedes Element wird beschrieben durch Vergleich eines Beispiels mit Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung mit einem Beispiel ohne diese Einrichtung:

Funktion (a) Abläufe bei der Energieumwandlung aus der tangentialen Geschwindigkeit des Vordrallstromes in einer Saugleitung 2 in effektive Arbeit

Die Fig. 7 und 8 sind Beispiele für die Rohrführung am Ventilatoreintritt und die damit verbundene Saugleitung 2 ist gerade und ziemlich lang. Fig. 7 ist ein Beispiel ohne und Fig. 8 ein Beispiel mit Bypass-Einrichtung. Die Fig. 9 und 10 sind Beispiele ohne Rohre am Ventila toreintritt und die damit verbundene Saugleitung 2 ist kurz und saugt aus dem Freien an. Fig. 9 ist ein Bei spiel ohne und Fig. 10 mit Bypass-Einrichtung.

Bei konstantem Betrieb eines Ventilators außerhalb der konstruktiven Normalleistung hat die das Laufrad 1 an strömende Luft zuerst die Winkelgeschwindigkeit des Vordralls am Punkt Z₀ stromauf vom Laufrad (hier Z₀ = Z₁ in Fig. 9 und Fig. 10) und mit zunehmender Beschleu nigung des Vordralls erreicht er am Punkt Z₃ die Win kelgeschwindigkeit w₃ nahe am Laufrad. Der Punkt Z₃ na he dem Laufrad bestimmt einen kritischen Punkt, an dem die Druckzufuhr an die das Laufrad anströmende Luft nicht direkt durch die Schaufeln erfolgt und Z₃ ist der äußerste Näherungswert zum obengenannten Referenzpunkt Z_P.

In den Fig. 8 und 10 bedeutet w3', daß die tangentiale Geschwindigkeitskomponente der Luft im Wirkabschnitt von Z₁ bis Z₂ der Bypass-Strömung um die Hälfte ab nimmt, wie Gleichung (5) zeigt, und danach die Win kelgeschwindigkeit w3' bei Z₃ infolge der Winkelbe schleunigung in den Abschnitten Z₂ bis Z₃ unmittelbar am Laufrad einnimmt. Vorausgesetzt wird, daß die Stei gung der Z₀ mit w3 verbindenden Geraden gleich der Ge raden ist, die w2' mit w3' verbindet.

Fig. 8 unterscheidet sich von Fig. 10 im wesentlichen durch den Abstand zwischen Z₀ und Z₃. Infolge dieses unterschiedlichen Abstandes ändert sich auch die Stei gung der Z₀ mit w3 verbindenden Geraden und wirkt sich auf die Winkelgeschwindigkeit w1 des Vordralls am Punkt Z₁ und die Winkelgeschwindigkeit w2 des Vordralls am Punkt Z₂ aus; außerdem ändert sich die Winkelgeschwin digkeit w3' des Vordralls am Punkt Z₃ in Abhängigkeit vom unterschiedlichen Abstand zwischen Z₂ und Z₃

Wie oben erwähnt, ist w1 die Winkelgeschwindigkeit des Vordralls am Punkt Z₁, wenn keine Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung vorgesehen ist, und w1' die Win kelgeschwindigkeit des Vordralls am Punkt Z₁, wenn sie durch die Bypass-Strömung 5a der Bypass-Einrichtung 5 zur Vordrallregelung verringert wurde. Ähnlich ist w2 die Winkelgeschwindigkeit des Vordralls am Punkt Z₂, ohne die Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung, und w2' die Winkelgeschwindigkeit des Vordralls am Punkt Z₂ mit entsprechender Verringerung durch die Bypass-Strö mung 5a entsprechend der Bypass-Einrichtung 5 zur Vor drallregelung. Ferner ist w3 die Winkelgeschwindigkeit des Vordralls am Punkt Z₃, wenn die Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung fehlt und w3' die Winkelgeschwin digkeit des Vordralls am Punkt Z₃, die durch die By pass-Strömung 5a gemäß der Bypass-Einrichtung 5 zur Vordrallregelung geringer ist.

Wie in den Fig. 7 und 9 gezeigt, entsteht bei Umkehr der Drehrichtung ein Umkehrstrom 31 (Wirbelstrom) nahe der Innenwandung der Saugleitung, wenn keine Bypass- Einrichtung vorgesehen ist. Die Fig. 8 und 10 zeigen, daß ein Bypass-Strom 5a als Umkehrstrom (Zirkularstrom) in einem geschlossenen Raum entsteht, so daß die Luft strömen kann, wenn eine Bypass-Einrichtung vorhanden ist. Diese Vorgänge werden anhand eines Modells mit ei ner Bypass-Einrichtung nach den Fig. 8 und 10 gezeigt:
Der Vordrall in der Saugleitung 2 ist eine aufgezwun gene Wirbelbewegung mit tangentialer Geschwindigkeits komponente, die durch die Energie des Laufrades 1 zu geführt wird. Hierbei gilt für den Druck bei erzwunge ner Wirbelbewegung:

P = p.u²/2 + p.u²/2

Das erste Glied rechts gibt den dynamischem Druck an und das zweite Glied den statischen Druck aufgrund der Zentrifugalkraft. Hierin ist p die Luftdichte und u die tangentiale Geschwindigkeit der erzwungenen Wirbelbe wegung, also P = p.u².

Der statische Druck aufgrund der Zentrifugalkraft im Bereich der Innenwand der Saugleitung im Vordrallbe reich ist +p.u²/2.1/2 und der statische Druck aufgrund der Zentrifugalkraft im Bereich der Mitte der Sauglei tung ist -p.u²/2.1/2. Der gesamte statische Druck aus beiden ist demgemäß:

+p.u²/2.1/2 - (-p.u²/2.1/2) = p.u²/2

In den Bypass-Einrichtungen 5 der Fig. 8 und 10 ist die gesamte übertragbare Druckenergie, die aus dem Vordrall als erzwungene Wirbelbewegung stammt, der statische Druck, +p.u2/2.1/2 = p/4.u², der auf der Zentrifugal kraft basiert. Daher wird der statische Druck aus dem Vordrall, der über eine Bypass-Einrichtung an die In nenwandung der Saugleitung übertragen wird, wie folgt ausgedrückt: Der am Punkt Z₁ wirkende statische Druck P₁, siehe Fig. 8 und Fig. 10, ist p/4.u₁ ², und der am Punkt Z₂ wirkende statische Druck P₂ ist p/4.u₂ ².

Unter der Annahme, daß der Durchmesser der Saugleitung 2 an jedem Ort Z in Achsrichtung der Leitung konstant ist, wird der Radius vom Mittelpunkt der Saugleitung bis zu ihrer Innenwandung mit r₀ bezeichnet, die Win kelgeschwindigkeit des Vordralls am Punkt Z₁ ist w1, bei Z₂ w2, erhält man u₁ = r_0.w1 und u₂ = r_0.w2. P₁ und P₂ werden wie folgt ausgedrückt:

P₁ = p.(r₀.w1/2)² (1)

P₂ = p.(r₀.w2/2)² (2).

Fig. 1 zeigt ein Konstruktionsschema der Bypass-Ein richtung aus den Fig. 8 und 10. In der Figur ist r₀ der Radius von der Mittelachse der Saugleitung zu deren In nenwandung, P_c der statische Druck im geschlossenen Raum der Bypass-Einrichtung, P₁ der statische Druck bei Z₁, P₂ der statische Druck bei Z₂, S₁ der Öffnungsquer schnitt bei Z₁, S₂ der Öffnungsquerschnitt bei Z₂, v₁ die Strömungsgeschwindigkeit der Luft vom Öffnungsquer schnitt Z₁ der Bypass-Einrichtung in die Saugleitung und v₂ die Strömungsgeschwindigkeit von der Saugleitung in den Öffnungsquerschnitt der Bypass-Einrichtung bei Z₂.

Die Gesamtleistung aus dem statischen Druck auf die Luft in einem geschlossenen Raum einer Bypass- Einrichtung ist gleich der Änderung der kinetischen E nergie der Luft in einem geschlossenen Raum der Bypass- Einrichtung.

Für die vorstehenden Aussagen kann folgende Gleichung aufgestellt werden: Die Gesamtleistung pro Zeiteinheit aus statischem Druck, der auf die Luft in einem ge schlossenen Raum einer Bypass-Einrichtung wirkt, ist W, also

W = (P₂ - P_c).S₂.v₂+ (P₁ - P_c).S₁.(-v₁) = P₂.S₂.v₂ - P_c.S₂.v₂ - P₁.S₁.v₁ + P_c.S₁.v₁

Nach der Kontinuitätsgleichung ist S₂.v₂ = S₁.v₁, also gilt für W = (P₂ - P₁).S₁.v₁. Die Änderung pro Zeitein heit der kinetischen Energie der Luft in dem geschlos senen Raum der Bypass-Einrichtung wird mit E bezeichnet und die Luftdichte mit p, daraus ergibt sich folgende Gleichung.

E = 1/2.p.S₁.v₁.v₁ ² - 1/2.p.S_2.v₂.v₂ ² = 1/2.p.S₁.v₁.(v₁ ² - v₂ ²)

wenn dabei E = W, ergibt sich folgende Gleichung:

1/2.p.S₁.v₁.(v₁ ² - v₂ ²) = (P₂ - p₁).S₁.v₁

Hieraus ergibt sich wiederum die Gleichung (3):

1/2.p.v₁ ² = (P₂ - P₁) + 1/2.p.v₂ ² (3).

Nach Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) anstelle von Gleichung (3) erhält man die Gleichung (4):

1/2.p.v₁ ² = 1/4.p.r₀ ².(w₂ ² - w₁ ²) + 1/2.p.v₂ ² v₁ ² = 1/2.r₀ ².(w₂ ² - w₁ ²) + v₂ ² (4)

Die Gleichung (4) lehrt, daß die Energie des statischen Drucks des Vordralls in kinetische Energie der Luft in einer Bypass-Einrichtung umgewandelt werden kann.

In der Gleichung (4) wird davon ausgegangen, daß der Radius vom Mittelpunkt der Saugleitung zu deren Innen wandung bei jeder Position von Z in Achsrichtung der Saugleitung konstant ist. Ist aber der Radius in Abhän gigkeit von der Position Z gemäß Fig. 3 unterschied lich, dann gilt: Der Radius bei der Position Z₁ wird mit r₁ bezeichnet, bei der Position Z₂ mit r₂, wobei r₁ < r₂ ist. Das Glied 1/2.r₀ ².(w₂ ² - w₁ ²) in Gleichung (4) kann geändert werden in 1/2.(r₂ ².w₂ ² - r₁ ².w₁ ²). Ob gleich angenommen wird r₁ < r₂, ist das Glied 1/2.(r₂ ².w₂ ² - r₁ ².w₁ ²) nicht immer positiv, da w1 < w2 angenommen wird.

Mit anderen Worten, es kann unter diesen Bedingungen nicht immer garantiert werden, daß durch die Bypass- Einrichtung die Energie des statischen Drucks im Vor drall in kinetische Energie der Luft umgewandelt wird. Die Länge des Verbindungsabschnitts mit zunehmend klei nerem Durchmesser, nämlich der kegelstumpfförmige Ab schnitt 2a₁, 2a₂, . . ., 2a_n-1 unmittelbar in dem Bereich vor dem Laufrad in der Saugleitung 2 eines Ventilators, kann daher nicht als effektiver Bereich für eine By passführung angesehen werden.

Die folgende Beschreibung liefert die Grundlagen für den vorliegenden Erfindungsgedanken, dessen erfinde rischer Schritt aus dem Stand der Technik nicht zu ent nehmen ist. Das Verhalten der Luft im Zuge des Vor dralls im effektiven Bypass-Bereich wird wie folgt ge sehen: Der der Luft übermittelte statische Druck in dem geschlossen Raum der Bypass-Einrichtung beim Radius r₀, der gleich dem Abstand des Mittelpunktes der Saug leitung zu ihrer Innenwandung ist, ist p/4.r₀ ².w², wor in w die Winkelgeschwindigkeit des Vordralls ist. Da die Energie des statischen Drucks nicht ohne die tan gentiale Geschwindigkeit des Vordrallstromes auftritt, wird die kinetische Energie, p/2.r₀ ².w², der tangen tialen Geschwindigkeit der Luft im Vordrall durch die Kraft des statischen Drucks p/4.r₀ ².w² auf die Luft im geschlossenen Raum der Bypass-Einrichtung aufgehoben.

Da die Gesamtenergie aufgrund der tangentialen Ge schwindigkeit der vordrallbehafteten Luft im wesent lichen p.r₀ ².w² im Radius r₀ ist, d. h. vom Mittelpunkt der inneren Saugleitung zu deren Innenwandung, bleibt die Energie der tangentialen Geschwindigkeit in der Luft im Vordrallstrom erhalten, wie nachstehende Glei chung zeigt:

(1 - 1/4 - 1/2).p.r₀ ².w² = p/4.r₀ ².w²

Hieraus erhält man die beiden unten stehenden Gleichun gen. Physikalisch bedeuten die Gleichungen: Obgleich die Winkelgeschwindigkeit des Vordralls bei r = r₀ am Innenradius der Saugleitung nicht tatsächlich beobach tet werden kann, lehrt die Gleichung (5), daß in der Luft tatsächlich ein tangentialer Geschwindigkeits anteil vorhanden ist, so als ob potentiell die Energie vorhanden ist, die der Winkelgeschwindigkeit von w/2 entspricht.

p/4.r₀ ².w² = p.r₀ ².(w/2)² (5)

p/4.r₀ ².w² = p.(r₀/2)².w² (6)

Außerdem lehrt die Gleichung (6), daß die Luft mit dem Geschwindigkeitsanteil in tangentialer Richtung, die aufgrund der Winkelgeschwindigkeit w des Vordralls ent lang r = r₀/2 am Innenradius der Saugleitung ansteht, und daß die Luft ohne diesen Geschwindigkeitsanteil in tangentialer Richtung im Bereich von r₀/2 < r ≦ r₀ am Innenradius der Saugleitung vorhanden ist. Tatsächlich beobachtet wird die Aussage in der Gleichung (6).

Zusammenfassend heißt dies, daß im Bereich von 0 ≦ r ≦ r₀/2 am Innenradius der Saugleitung der im Vordrall mitgeführte Luftstrom im effektiven Bypass-Bereich der Luftstrom ist, der ursprünglich die Winkelgeschwindig keit w hat, und daß im Bereich von r₀/2 < r ≦ r₀ am In nenradius der Saugleitung der Luftstrom mit der die Ge schwindigkeit v₁ in Richtung des Laufrades 1, wie Glei chung (4) ausdrückt, keine Winkelgeschwindigkeit auf weist.

Da am Innenradius der Saugleitung Luft mit der Ge schwindigkeitskomponente in tangentialer Richtung im Bereich von 0 ≦ r ≦ r₀/2 strömt, wirkt der Anstieg des statischen Drucks aufgrund der tangentialen Geschwin digkeit im Bereich der Position r = r₀/2 am Innenradius der Saugleitung. Demzufolge wird die in die Saugleitung mit der Anfangsgeschwindigkeit v₁ einströmende Luft aus der Öffnung 4d₁ der Bypass-Einrichtung in Richtung des Laufrades gelenkt, etwa wie beim Aufprall auf ein Luft kissen. Der Anstieg des statischen Drucks im Bereich der Position r = r₀/2 am Innenradius der Saugleitung verhindert, daß die Luft die Richtung mit der Anfangs geschwindigkeit beibehält, obwohl die Luft mit der An fangsgeschwindigkeit gegen den Mittelpunkt der Sauglei tung strömt.

Aufgrund der vorbeschriebenen Zusammenhänge kann ein Teil der Energie aus der tangentialen Geschwindigkeit (formuliert in Gleichung (4)) der Luft im Vordrall un mittelbar vor dem Laufrad in der Saugleitung in effek tive Arbeit des Laufrades 1 umgewandelt werden. Paral lel hierzu ändert sich gemäß Gleichung (5) der den Vor drall begleitende Luftstrom in die Luft, deren ur sprüngliche Winkelgeschwindigkeit halbiert wird.

Die wirksame Umsetzung dieser Funktionen, d. h. die vollständige Umsetzung im ganzen effektiven Bereich der Bypass-Einrichtung zur Vordrallregelung, verlangt fol gende Voraussetzungen. Die Bypasswege, über die der Luftdruck übertragen und über die Luft eingeführt wird, sollten gleichmäßig über den gesamten effektiven Be reich an der Saugleitung vorgesehen sein, die einen Teil der Bypass-Einrichtung bildet, in der Luft zum Laufrad des Ventilators strömt. Deshalb versteht es sich, daß mehrere, keineswegs ein einzelner, Bypasswege in dem geschlossenen Raum vorzusehen sind. Die Verbin dungskanäle sollten dabei an der Saugleitung, wie in den Fig. 8 und 10 für einige Bypassströme gezeigt, vor gesehen werden.

Mehrfache Bypass-Ströme 5a erreicht man dadurch, daß mehr als drei Verbindungskanäle 4 entlang der Fließ richtung der Saugluft angeordnet werden. Gemäß Fig. 8 kann beispielsweise der Bypass-Strom durch mehr als zwei stromauf liegende Verbindungsöffnungen zu einer stromab liegenden Öffnung fließen, oder er kann durch eine stromaufliegende Öffnung zu zwei stromab liegende fließen. Generell sollten die Bypass-Strömungswege so vorgesehen werden, daß der Bypass-Strom gleichförmig, wie zuvor erwähnt, fließen kann, also die Bypass-Luft in die Luftkammer 3 durch einige der Verbindungs öffnungen stromab fließen kann und in die Saugleitung durch einige stromauf liegende Verbindungsöffnungen. Mit nur zwei Verbindungsöffnungen in Fließrichtung der Saugluft kann kein gleichmäßiger Bypass-Strom erreicht werden.

Funktion (b) Begründung für die Verringerung der Wel lenleistung eines Ventilators durch Umwandlung der E nergie aus der tangentialen Geschwindigkeit des Vor drallstromes in effektive Arbeit

Fig. 11 und 12 zeigen Beispiele für eine eingangs seitige Kanalführung in einem Ventilator mit einer ge raden und verhältnismäßig langen Saugleitung 2. Fig. 11 ist ein Beispiel ohne und Fig. 12 mit Bypass-Ein richtung. In der Zeichnung ist Z_D der Punkt, an dem die Geschwindigkeit des Luftstromes in Richtung auf das Laufrad gleich 0 ist, Z₃ unmittelbar vor dem Laufrad, Z_1F unmittelbar vor dem effektiven Bypass-Bereich, Z_1B der unmittelbar hinter dem effektiven Bypass-Bereich, V_D die Durchschnittsgeschwindigkeit des Luftstromes am Punkt Z_D, wo die Luft in der Saugleitung zum Laufrad strömt, V₃ die Durschschnittsgeschwindigkeit des dem Laufrad 1 in der Saugleitung zuströmenden Luftstromes bei Z₃, V_F die mittlere Geschwindigkeit des Luftstromes bei Z_1F, wo die Luft in der Saugleitung zum Laufrad strömt, und V_B die mittlere Geschwindigkeit des Luft stromes bei Z_1B, wo die Luft in der Saugleitung zu ei nem Laufrad strömt, v₁ die Geschwindigkeit des Luft stromes bei Z_1B, wobei dessen Strömungsrichtung sich in Richtung zum Laufrad bei Eintritt in die Saugleitung durch eine Öffnung in der Bypass-Einrichtung ändert und nunmehr identisch mit der Geschwindigkeit v₁ des Luft stromes bei Z₁ in Fig. 1 ist, wo die Luft von der Öff nung in der Bypass-Einrichtung in die Saugleitung strömt.

Die Gesamtarbeit, die ein Laufrad dem Luftstrom zwi schen den Positionen Z_D und Z₃ zuführt, ist gleich der Differenz zwischen der kinetischen Energie bei Z₃ und der bei Z_D.

Bezogen auf das Versuchsmodell nach Fig. 11, wird die Gesamtarbeit des Laufrades auf die Luft mit E₆ bezeich net und ebenso in Fig. 12 mit E₇, so daß ΔE in der nachstehenden Gleichung das Dekrement in der Arbeit des Laufrades auf die Luft bei Vorhandensein einer Bypass- Einrichtung angibt, also gleich der Verringerung der Antriebsleistung der den Ventilator antreibenden Welle ist.

ΔE = E₆ - E₇ (7)

Vorstehende Faktoren werden wie folgt formuliert: p ist die Dichte der Luft, Q der Volumenstrom der Luft in der Saugleitung, Q₁ der Volumenstrom der Luft mit der Ge schwindigkeit v₁ am Punkt Z_1B, wobei dessen Strömungs richtung sich in Richtung zum Laufrad bei Eintritt in die Saugleitung durch eine Öffnung in der Bypass-Ein richtung ändert, und Q₂ der Volumenstrom der Luft nach Subtraktion von Q₁ von Q.

E₆ = 1/2.p.Q.v₃ ² - 1/2.p.Q.V_D ²

Wenn V_D = 0 definiert ist, erhält man folgende Glei chung.

E₆ = 1/2.p.Q.V₃ ² (8)

E₇ steht jeweils für den Bereich zwischen Z_D und Z_1F und den Bereich zwischen Z_1B und Z₃.

E₇ = [1/2.p.Q.V_F ² - 1/2.p.Q.V_D ²] + [1/2.p.Q.V₃ ² - (1/2.p.Q₁.v₁ ² + 1/2.p.Q_2.V_B ²)]

Wird V_D = 0 definiert, erhält man nachstehende Glei chung:

E₇ = 1/2.p.Q.V_F ² + 1/2.p.Q.V₃ ² - 1/2.p.Q₁.v₁ ² - 1/2.p.Q₂.V_B ² (9)

Setzt man die Gleichungen (8) und (9) für Gleichung (7) ein, ergibt sich folgende Gleichung:

ΔE = 1/2.p.Q.V₃ ² - 1/2.p.Q.V_F ² - 1/2.p.Q.V₃ ² + 1/2.p.Q₁.V₁ ² + 1/2.p.Q₂.V_B ² = 1/2.p.Q₁.v₁ ² + 1/2.p.Q₂.V_B ² - 1/2.p.Q.V_F ²

Wird Q = Q₁ + Q₂ definiert, ergibt sich folgende Glei chung:

ΔE = 1/2.p.Q₁.(v₁ ² - V_F ²) + 1/2.p.Q₂.(V_B ² - V_F ²) (10)

Für den Fall, daß die Saugleitung 2 ins Freie geht, wie Fig. 10 zeigt, dann gilt V_F = 0 im Bereich des Volu menstroms Q₁ der Luft und V_B = V_F im Bereich des Volu menstroms Q₂ der Luft und die Gleichung (10) wird zu ΔE = 1/2.p.Q_1.v₁ ². Demzufolge trägt der Entzug aller kinetischer Energie der Luft mit der Geschwindigkeit gemäß Gleichung (4) zur Verringerung der Wellenleistung eines Ventilators bei.

Funktion (c) Begründung für den Druckanstieg durch das Laufrad eines Ventilators infolge der Verringerung des Geschwindigkeitsanteils in tangentialer Richtung des Vordrallstromes

Es gilt die allgemeine Gleichung, in der der Druckan stieg über das Laufrad eines Ventilators mit ΔP be zeichnet ist.

ΔP = 1/2.p.(U₃ ² - U₀ ²) - 1/2.p.(W₃ ² - W₀ ²) (11)

Hierin ist p die Dichte der Luft, U₀ die tangentiale Geschwindigkeit des Luftstromes unmittelbar vor dem Eintritt in den Laufradkanal, U₃ die tangentiale Ge schwindigkeit des Luftstromes unmittelbar hinter dem Austritt aus dem Laufradkanal, W₀ die relative Ge schwindigkeit des Luftstromes im Laufradkanal unmittel bar vor dem Eintritt und W₃ die relative Geschwindig keit des Luftstromes im Laufradkanal unmittelbar hinter dem Austritt. Wird der Ventilator mit einem bestimmten konstanten Volumenstrom betrieben, dann gelten U₃, W₃ und W₀ als konstant, unabhängig davon, ob der Vordrall unmittelbar vor dem Eintritt in den Laufradkanal ent steht oder nicht.

Für den Fall, daß die tangentiale Geschwindigkeit im Vordrall unmittelbar vor dem Eintritt in den Laufrad kanal variiert, gilt: Nimmt man Gleichung (11), dann ist klar, daß je kleiner der Wert von U₀ ist, desto größer ist der Druckanstieg ΔP im Laufrad, sofern die ses mit einer bestimmten konstanten Drehzahl angetrie ben wird. Je kleiner der Geschwindigkeitsanteil in tan gentialer Richtung nach Halbierung der Winkelge schwindigkeit des Luftstromes mit Vordrall in der By pass-Einrichtung zur Vordrallregelung wird, desto mehr nimmt der Druckanstieg im Laufrad zu.

Funktion (d) Qualitative Erläuterung für Verringerung des Ventilatorgeräusches aufgrund der Bypass-Einrich tung zur Vordrallregelung

Nachstehend wird eine Bypass-Einrichtung zur Vordrall regelung untersucht, die nicht den Fig. 7 und 9 ent spricht: Wie unter [Funktion (a)] erwähnt, erhöht sich aufgrund der Wirkung des statischen Drucks über die tangentiale Geschwindigkeit des Vordrallstroms der ne gative Druck im negativen Druckbereich im Ventila torlaufrad nahe der Mitte einer Saugleitung.

Demgegenüber wird der negative Druck im negativen Druckbereich niedriger im Bereich der Innenwandung der Saugleitung. Da die das Laufrad in einer Saugleitung anströmende Luft stark beschleunigt wird infolge des hohen negativen Drucks im Bereich der Mitte der Saug leitung, trifft sie mit hoher Geschwindigkeit auf den Bereich unmittelbar vor dem Eintritt in den Laufrad kanal. Da andererseits die Luft im Bereich der Innen wand der Saugleitung wegen des niedrigen negativen Drucks nicht stark beschleunigt ist, ist auch die Ge schwindigkeit unmittelbar vor Eintritt in den Laufrad kanal niedrig. Als Folge hiervon kommt es zu einem äu ßerst starken Luftstau im Zentrum des Laufrades unmit telbar vor dem Eintritt in den Laufradkanal und die Luft kann nicht in den Laufradkanal strömen, sondern verharrt dort, so daß es zu einer Stagnation des Stro mes in der direkten Umgebung des Laufradzentrums kommt. Dieses Verhalten begünstigt die Lärmabstrahlung auf grund des turbulenten Stroms.

Demgegenüber trägt die Bypass-Einrichtung 5 zur Vor drallregelung nach den Fig. 8 und 10 dazu bei, das vor stehende Verhalten zu unterdrücken, indem ein ver gleichsweise gleichmäßiges Druckfeld im negativen Druckfeld der Saugleitung erzeugt wird. Deshalb hat die das Laufrad 1 anströmende Luft eine vergleichsweise gleichmäßige Geschwindigkeit unmittelbar vor Eintritt in den Laufradkanal und es kommt hier zu keinem starken Luftstau. Die Luft stagniert nicht mehr, sondern strömt gleichmäßig in den Laufradkanal, so daß durch diese Verbesserung des Luftstromes unmittelbar vor dem Ein tritt in den Laufradkanal vermittels der Bypass- Einrichtung zur Vordrallregelung keine Lärmabstrahlung aus dem turbulenten Strom stattfinden kann.

In dem oben erwähnten zentrifugalen Radialventilator, wurde Z_Pc in Fig. 4(a) als Referenzpunkt Z_P gewählt, für den Fall, daß ein Außenring am Seitenblech ange bracht ist, das auf der der Saugleitung zugewandten Seite an den Schaufeln befestigt ist. Sofern kein Sei tenblech an den Schaufeln, der Saugleitung zugewandt, in axialer Richtung des Laufrades eines zentrifugalen Radialventilators angebracht ist, gelten folgende Refe renzpunkte. Selbstverständlich sind die genannten Glei chungen (a), (b), (c) und (d) direkt auf die Fälle, die im Sinne der technischen Philosophie der Erfindung sind, anwendbar, was von den Erfindern bestätigt worden ist.

Fig. 4(a) zeigt, daß, wenn das Eintrittsende p_a1 der saugseitigen Seitenkante der Schaufeln 1A₁ eines zen trifugalen Laufrades in Richtung der Laufradachse 1a der Saugleitung näher ist als das Austrittsende p_a2, dann wird ein dem Eintrittsende p_a1 der Schaufeln in axialer Richtung des Laufrades entsprechender Punkt Z_Pa als Referenzpunkt gewählt. Fig. 4(b) zeigt dagegen, daß, wenn das Austrittsende p_b2 in Richtung der Lauf radachse 1a der Saugleitung näher ist als das Ein trittsende p_b1, dann wird ein dem Austrittsende p_b2 in axialer Richtung des Laufrades entsprechender Punkt Z_Pb als Referenzpunkt gewählt.

Bei einem Axialventilator 12 gemäß Fig. 5(a), bei dem der Schaufelfuß p_d1 an der Stromaufkante 1c der Schau feln 1A₂ eines Axiallaufrades der Saugleitung näher liegt als die Schaufelspitze p_d2 in Richtung der Lauf radachse 1a, dann wird ein dem Schaufelfuß p_d1 in Achs richtung des Laufrades entsprechender Punkt Z_Pd als Referenzpunkt gewählt. Liegt dagegen gemäß Fig. 5(b) die Schaufelspitze p_e2 an der Stromaufkante 1c der Laufradschaufeln 1A₂ näher an der Saugleitung als der Schaufelfuß p_e1 in Richtung der Laufradachse 1a, dann wird ein der Schaufelspitze p_e2 in Richtung der Lauf radachse 1a entsprechender Punkt Z_Pe als Referenzpunkt gewählt.

Im Falle eines kombinierten Ventilators gemäß Fig. 6(c) mit einem Seitenblech 1r an den Schaufelkanten 1A₃ ei nes kombinierten Laufrades und einem Außenring 1n am Seitenblech 1r, dann gilt als Referenzpunkt Z_Ph der am weitesten stromauf liegende Punkt des Außenringes 1n in Achsrichtung 1a des Laufrades.

Im Falle eines kombinierten Ventilators gemäß Fig. 6(a) ohne Seitenblech an der Schaufelspitze, wenn die Schau felspitze p_f2 an der stromauf liegenden Kante 1d der Laufradschaufeln 1A₃ näher an der Saugleitung liegt als der Schaufelfuß p_f1 in Richtung der Laufradachse 1a, dann gilt als Referenzpunkt Z_Pf ein in Richtung der Laufradachse der Schaufelspitze p_f2 entsprechender Punkt. Liegt aber, wie Fig. 6(b) zeigt, der Schaufelfuß P_g1 am stromauf liegenden Ende 1d der Laufradschaufeln näher an der Saugleitung als die Schaufelspitze p_g2 in Achsrichtung des Laufrades, dann gilt als Referenzpunkt Z_Pg in Achsrichtung des Laufrades ein dem Schaufelfuß p_g1 entsprechender Punkt.

Im vorstehenden Beispiel nach Fig. 1 ist die einen ge schlossenen Raum bildende Luftkammer 3 ein Kasten 3A, der außen an der Saugleitung 2 angebracht ist, und die Verbindungskanäle 4 bilden Rohre 4A, die den Kasten mit der Saugleitung verbinden. Anstelle einer solchen Luft kammer mit Verbindungskanälen kann auch entsprechend den Fig. 13 bis 15 eine zylindrische geschlossene Kam mer 3B verwendet werden, die sich am Rand unmittelbar vor dem Laufrad der Saugleitung 2 befindet, die ver gleichbar mit einer Luftkammer 3 ist, die einen ge schlossenen Raum bildet, wobei in die Außenwandung 2m der Saugleitung Löcher 4B eingestanzt sind, die die zy lindrische geschlossene Kammer von der Saugleitung ab teilen, und die gleiche Funktion haben wie die Verbin dungskanäle 4.

Wenn als Luftkammer eine zylindrische geschlossene Kam mer verwendet wird, richtet sich deren Ausbildung nach den Einbaugegebenheiten bei einem fabrikneuen Ventila tor. Besteht dagegen die Bypass-Einrichtung aus einem Kasten 3A und Rohren 4A, wie in Fig. 2 gezeigt, dann eignet sie sich auch vorteilhaft zum nachträglichen Einbau. Eine in den Zeichnungen dargestellte zylindri sche geschlossene Kammer als Luftkammer kann natürlich mehr als drei in Strömungsrichtung der angesaugten Luft angeordnete Verbindungsöffnungen aufweisen. Außerdem begünstigt die Anordnung mehrerer Reihen von Bohrlö chern als Verbindungsöffnungen am Mantel der geschlos senen zylindrischen Kammer die Wirkung der Bypass- Einrichtung. Deshalb sind mehrere Reihen mit mehr als drei Verbindungsöffnungen anstelle der Reihe von Rohren in Fig. 2 anwendbar.

Wie schon erwähnt werden die Bypass-Wege über eine Luftkammer und Verbindungskanäle hergestellt, so daß die Übertragung des Luftdruckes und der Zustrom von Luft zwischen einer Saugleitung und einer Luftkammer durch die Verbindungskanäle aufrechterhalten wird. Da durch kann der aus der angesaugten Luft erzeugte By pass-Strom die Energie kontrolliert regeln, die sich aus der tangentialen Geschwindigkeit des Vordralls im Bereich unmittelbar vor dem Laufrad eines Ventilators ergibt.

Erfindungsgemäß können die Antriebsleistung eines Ven tilators und der Druckanstieg im Laufrad des Ventila tors günstig beeinflußt werden, so daß sich die Venti latorleistung um 2% bis 9% erhöht und die Regelung des Luftstromes in der Saugleitung im Bereich un mittelbar vor dem Laufrad eine Verringerung des Lärm pegels von 1,5 dB bis 4 dB bewirken kann. Konkrete Bei spiele für die Verringerung des Lärmpegels in einem Ventilator sind nachstehend beschrieben: Übrigens führt bereits eine Reduzierung um 2 dB zu einer beträcht lichen Verringerung der Lärmabstrahlung bei einem Raum ventilator.

In Tabelle 3 sind die wichtigsten Kennwerte der Bei spiele A bis E mit Bezug zu den einzelnen Zeichnungen angegeben, bei denen die Bypass-Einrichtung zur Vor drallregelung konkret eingesetzt ist.

TABELLE 3

D ist ein Beispiel für eine gerade Kanalführung mit Anschluß an die Saugleitung gemäß Fig. 15, auf eine ge trennte Darstellung wird verzichtet, da dies aus Fig. 15 entnehmbar ist.

Tabelle 4 zeigt die konkreten Ergebnisse der Beispiele A bis E unter Bezug auf die jeweilige Figur in der Zeichnung, bei denen die Bypass-Einrichtung zur Vor drallregelung in einem Ventilator angewandt ist.

TABELLE 4

Die "Differenz bei der Ventilatorleistung" ist gleich der "Leistung (%) eines Ventilators mit Bypass-Einrich tung" - "die Leistung (%) eines Ventilators ohne By pass-Einrichtung" gibt den Wert an, den man am Punkt mit dem größten Wirkungsgrad erhält und der anhand des Durchsatzes und des Druckes gemessen am Ventilatoraus tritt errechnet wird. "Differenz des Schallpegels" ist der "Schallpegel dB(A) eines Ventilators mit einer By pass-Einrichtung" - "der Schallpegel dB(A) eines Venti lators ohne Bypass-Einrichtung" gibt den Pegel am Punkt des größten Wirkungsgrades an. Der Schallpegel bei ei ner ins Freie gehenden Saugleitung wird in einem Ab stand von 1 Meter von der Öffnung der Saugleitung ge messen und der Schallpegel bei einer mit einem geraden Rohr verbundenen Saugleitung wird in einem Abstand von 1 Meter seitlich am Verbindungsstück zwischen Sauglei tung und Rohr gemessen. Beispiel D ist identisch mit dem Beispiel in Tabelle 3.

Claims

Vorrichtung zur Einleitung von Saugluft in ein Laufrad (1) eines Ventilators (11) umfassend eine Saugleitung (2), die dem Laufrad (1) eines Ventila tors (11) Saugluft zuführt, eine Luftkammer (3), die einen abgegrenzten Raum außerhalb der Sauglei tung (2) im Bereich unmittelbar vor dem Laufrad (1) bildet und ringförmig die Saugleitung (2) umgreift, sowie Verbindungskanäle (4) zwischen der Sauglei tung (2) und der Luftkammer (3), die jeweils ein Mündungsloch in die Saugleitung aufweisen, wobei mehrer Mündungslöcher in Strömungsrichtung in Reihe hintereinander und mehrere Reihen Mündungslöcher in Umfangsrichtung vorgesehen sind, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Reduzierung des Vordralls der Saugluft in der Saugleitung (2) des Ventilators (11) pro Reihe zumindest drei Mündungslöcher von Verbindungskanälen (4) in Strömungsrichtung hinter einander angeordnet sind, wobei der Abstand zwi schen dem am weitesten stromaufwärts befindlichen Mündungsloch und dem am weitesten stromabwärts be findlichen Mündungsloch pro Reihe 0,4 bis 2 Mal so groß wie der Innendurchmesser der Saugleitung (2) im Bereich unmittelbar vor dem Laufrad (1) ist.