DE2361851A1

DE2361851A1 - Wirbelgeblaese

Info

Publication number: DE2361851A1
Application number: DE2361851A
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Adachi; Tadahisa Masai; Kazuyoshi Moriyama; Shigeru Sasaki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-12-18
Filing date: 1973-12-12
Publication date: 1974-07-11
Also published as: US3899266A

Description

81-21.89*JP(21.895H) 12. 12. 1973

HITACHI, LID., Tokio (Japan)

Wirbelgebiäse

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wirbelgebläse, insbesondere auf die Ausbildung seiner Rotorflügel.

Ein Wirbelgebläse besteht im allgemeinen aus einem Stator mit ringförmigen. Strömungskanälen, die im Bereich ihrer entgegengesetzten Enden in eine Saugöffnung und eine Abström öffnung übergehen, einem Stator, dessen Luftkämmer durch eine Vielzahl von Rotorflägeln in verschiedene Zellen unterteilt ist, und aus einem Antrieb für den Rotor. Der besondere Vorteil Von Wirbelgebläsen liegt darin, daß der erzeugte Äbströmdruck 3- bis 4mal höher als der anderer Gebläsetypen

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ist und daß es mit geringen Kosten hergestellt werden kann. Der spezifische Nachteil eines solchen Wirbelgebläses ist sein vergleichsweise niedriger Wirkungsgrad, wobei sein innerer Wirkungsgrad Tf . meist 30 bis 40 % beträgt und sein Betriebsbereich bei 15 bis 20 % liegt. Die Strömungsverhältnisse der Luft in dem Gebläse bei umlaufendem Rotor sind derart, daß die von der Saugöffnung zur Abström öffnung strömende Luft sich auf Spiralen bewegt, wobei die Luftströmung außerhalb der hydrodynamischen Neutral-Linie der Luftströmung, die sich zwischen der Luftkammer und dem Luftkanal ausbildet, von der Luftkammer in den Luftkanal gerichtet ist und die Luftströmung innerhalb der hydrodynamischen Neutrallinie aus dem Luftkanal in die Luftkammer gerichtet ist. Diesbezüglich ist zu beobachten, daß ein Sog oder eine sogenannte Wirbelschleppe in der Streifenströmung oder an der Rückseite der Rotorflügel entsteht. Der große Strömungsverlust der Wirbelgebläse aufgrund derartiger Wirbelschleppen ist einer der Gründe für den geringen Wirkungsgrad und den verminderten Abströmdruck solcher Gebläse. Da die Wirbelschleppen im Bereich der Kanten der durch die Luft rotierenden Rotorflügel erzeugt wird, sind sie um so größer, je dicker die Rotorflügel sind. Da die Stärke der Rotorflügel den Gebläsewirkungsgrad wesentlich beeinflußt, sollte die Flügelstärke möglichst klein sein. Diese Forderungen finden jedoch ihre Grenze durch die notwendige Festigkeit ebenso wie durch eine möglichst einfache Bearbeitung bzw. Herstellung der Flügel. Hinsichtlich der von den Rotorflügeln erzeugten Wirbelschleppen oder Turbulenzen sollten die Flügel stromlinienförmig oder an die Luftströmung angepaßt sein. Ein derartiger Vorschlag wurde jedoch bei den bisherigen Wirbelgebläsen noch nicht gemacht.

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Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des Abströmdruckes und des inneren Wirkungsgrades eines Wirbelgebläses durch Verringerung des durch die Rotorflügel erzeugten Sog- oder Wirbelschleppen-Verlustes .

Diese Lösung wird durch eine Ausbildung der Rotorflügel gelöst, deren Formen an die Luftströmung im Gebläseinneren angepaßt sind, wodurch sich die Sogwirkung an ihren Kanten wesentlich verkleinert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein bekanntes Wirbelgebläse;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Rotor des Gebläses längs der Schnittlinie H-II der Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Stator längs der Schnittlinie HI-III in Fig. 1;

Fig · 4 einen Querschnitt durch den Stator längs der Schnittlinie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 die Luftströmung in einem Wirbelgebläse;

Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung eines erfindungsgemäßen Einzelteiles eines Rotors nach Fig. 2;

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Fig. 7 a bis 7 e Querschnitte eines Rotorflügels entlang der Schnittlinie VIIa bis VIIe der Fig. 6;

Fig. 8 eine Vorderansicht eines Rotorflügels gemäß der Erfindung;

Fig .9-11 schematische Darstellungen der an einer Flügelkante erzeugten Wirbelschleppe;

Fig. 12 einen Querschnitt durch das Gebläse längs der Schnittlinie XII-XII der Fig. 1;

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Änderungen des Winkels oC eines Rotorflügels am Innen- und Außenumfang eines Rotors ;

Fig. 14 die Kennlinien eines herkömmlichen und eines erfindungsgemäßen Wirbelgebläses;

Fig. 15 - 17 die Ausbildung einer anderen Flügelausführung gemäß der Erfindung.

Im folgenden werden zuerst ein herkömmliches Wirbelgebläse anhand der Fig. 1 bis 4 und danach erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein von einem E-Motor angetriebenes, direkt gekuppeltes Wirbelgebläse in seiner Gesamtheit, mit einem Rotorflügel 1, einem Rotor körper 2, einem Gebläsedeckel 3, einer Scheibe 4, einer Mutter 5, einem BoI-

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zen 6 zur Befestigung eines Motorgehäuses 18 an einem Stator 7 und einem Dämpfungsmaterial 8 zur Geräuschdämpfung an der Saugöffnung 9 und an der Abströmöffnung 22. Ferner ist ein Träger 10 zur stabilen Halterung des Gebläsebausatzes, ein Motorläufer 11, eine Tragkonsole 12 für den Motor, eine Welle 14, ein Kühlgebläse 15 und ein Lager 17 vorgesehen. Im Stator 7 befindet sich ein Luftkanal 21 von halbkreisförmigem Querschnitt. Eine Luftkammer 24 ist durch mehrere Botorflügel in Kammern oder Zellen 23 von halbkreisförmigem Querschnitt unterteilt. Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Rotor 2 sowie ein Schnitt durch das Gebläse längs der Schnittlinien II in Fig.

Fig. 3 ist ein Querschnitt des Gebläses nach Fig. 1 längs der Schnittlinie III—III. Die in den Luftkanal führende Saugöffnuncf 9 und die AbströmÖffnung 22 befinden sich in der Kähe der entgegengesetzten Enden des Luftkanäls und sind durch eine Zwischenwand 27 voneinander getrennt. In Fig. 3 ist die Drehrichtung des Rotors durch einen Pfeil 28 gekennzeichnet. Kehrt sich die Drehrichtung des Rotors um, dann ändern sich auch die Funktionen der Saugöffnung 9 bzw. der AbströmÖffnung 22 entsprechend. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt längs der Schnittlinie IV-IV der Fig. 3 und verdeutlicht die Querschnittsektionen des halbkreisförmigen Luftkanals 21 und der Trennwand 27 im Stator 7. -

Die Trennwand kann auch,z. B. durch Gießen, einstückig mit dem Stator 7 ausgeführt werden.

Bisher wurden die Grundzüge eines Wirbelgebläses bekannter Art

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beschrieben. Die Strömungsverhältnisse in einem solchen Gebläse sind in Fig. 5 dargestellt, wobei der Rotor mit einer Vielzahl von Rotorflügeln 1 ausgerüstet ist, die sich von seinem mittleren Teil nach radial auswärts erstrecken. Die durch die Rotorflügel erzeugte Saugströmung 55 bewegt sich an der Seite des Drehzentrums, d. h. innerhalb der hydrodynamischen Neutrallinie 38, während sich die von den Rotorflügeln erzeugte Austrage- oder Abströmung 56 außerhalb der hydrodynamischen Neutrallinie 38 bewegt. Die Lage der hydrodynamischen Neutrallinie 38 kann sich in Abhängigkeit von der Ausbildung der Luftkammer 24 sowie derjenigen der Rotor flügel verschieben und durch die Formel

PiAiVi = PoAoVo ... (l)

angegeben werden, wobei P die Dichte, A den Bereich, V die Strömungsgeschwindigkeit kennzeichnet und i, ο Indizes für Einlaß- bzw. Auslaß sind. "Ai" kennzeichnet somit einen von angrenzenden Rotorflügeln definierten Bereich innerhalb der hydrodynamischen Neutrallinie 38 und "Ao" einen durch angrenzende Rotorflügel 1 definierten Bereich außerhalb der hydrodynamischen Neutrallinie 38. Aus der Gleichung (1) wird deutlich, daß die Strömungsgeschwindigkeit ¹¹Vi" der Saugströmung 55 durch die von den Rotorflügeln 1 erzeugten Zentrifugalkräfte auf eine Strömungsgeschwindigkeit "Vo" der Austragströmung 56 vergrößert und danach durch den Rotoraustrag sbereich "Ao" in den Rotor 7 abgeleitet wird, so daß die Strömungsgeschwindigkeit "Vi" sich in Abhängigkeit von der Beschleunigung des Fluicfes, d. h. von der Drehzahl des Rotors und dem Verhältnis seines Innen- und Außenumfanges 43 bzw. 44, ändert.

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Wird die Dicke des Flügelrandteiles vergrößert, dann entsteht ein kleinerer Austragsbereich "Ao", und die hydrodynamische Neutrallinie verschiebt sich gegen den Innenumfang des Rotors. Unter Berücksichtigung der Beziehung Vi < Vo liegt die hydrodynamische Neutrallinie außerhalb der den Saugbereich "Ai" und den Austragsbereich "Ao" gleichmäßig unterteilenden Mittellinie. Wird die Drehzahl vergrößert, dann vergrößert sich auch die Abströmgeschwindigkeit "Vo!' gegenüber der Sauggeschwindigkeit, so daß die Lage der hydrodynamischen Neutrallinie weiter von der Mittellinie nach auswärts geschoben wird.

Nach dem grundlegenden Merkmal der Erfindung werden die Formen der Flügelkanten 1 a zur Anpassung an die Luftströmungen in den entgegengesetzten Richtungen und Seiten mit Bezug auf die hydrodynamische Neutrallinie bestimmt.

Fig. 6 und 7 zeigen Formen der erfindungsgemäß ausgebildeten Rotorflügel. Bei einer durch den Pfeil 28 gekennzeichneten Drehrichtung des Rotors 2 sind die jeweiligen Querschnitte längs der Linien VII a bis VII e der Fig . 6 in den Fig. 7 a bis 7 e dargestellt. Der VIIa-Querschnitt des Rotorflügels ist an einer rechten oberen Kante mit einem größeren Krümmungsradius und der 7b-Querschnitt des Rotors an einer rechten oberen Kante mit geringerem Krümmungsradius geschnitten. Der VIId-Querschnitt nach dem 7c-Neutralquerschnitt auf der hydrodynamischen Neutrallinie 38 ist an der linken oberen Kante bei einem kleineren Krümmungsradius und der VIIe-Querschnitt mit einem größeren Krümmungsradius geschnitten. Die Krümmungen ändern sich

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somit kontinuierlich. Fig. 8 zeigt die Ausbildung der Rotorflügel. Die Querschnitte der Rotorflügel sind so ausgeführt, daß sich an der Abrißkante oder an der Rückfläche des Flügels 1 eine möglichst kleine Wirbelschleppe ausbildet. Ein Vergleich der Fig. 9 und 10 zeigt, daß je geringer die Stärke der Motorflügel ist, um so geringer auch die Wirkung der Wirbelschleppe 30 ist. Die Verringerung der Flügelstärke unterliegt jedoch einer Begrenzung durch die Festigkeitsanforderungen und die möglichst einfache Herstellung der Rotorflügel 1.

Die Form eines an die Luftströmung in einem Wirbelciebläse gepaßten Rotorflügels nach Fig. 11 hat die gleiche Wirkung wie ein Rotorflügel von einer geringeren als der erforderlichen Stärke, so daß sich der Wirbelschleppen-Effekt verringert. Zur Bestimmung der Form eines Rotorblattes ist es unbedingt notwendig, den Luftströmungsverlauf im Wirbelgebläse genau zu kennen. Die Ausführungen nach Fig. 7 sind hinsichtlich ihrer Form nach experimentellen Ergebnissen der absoluten Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungsrichtung im Gebläse bestimmt. Im einzelnen zeigt Fig. 12 einen Querschnitt längs der Schnittlinie XII-XII in Fig. 1, in welcher ein Vektordreieck 41 durch die Absolutgeschwindigkeit 39 der Luftströmung aus der Kammer 24 in den Kanal 21 oder umgekehrt und durch die Umfangsgeschwindigkeit 40 des Rotors 2 eingezeichnet ist, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit relativ zum Rotor 2 erhalten wird. In Fig. 13 sind Meßergebnisse zusammengestellt, wobei auf der Ordinate der Radialabstand vom Innenumfang der Luftkammer 24 nach Fig. 6 zu ihrem Ausßenumfang 44 und auf der Abszisse der Winkel <*- zwischen der Umfanggeschwindigkeit und der Relativgeschwindigkeit 42 im Vektordreieck aufgetragen sind. Der positive Winkel aC kennzeichnet die Luftströmung von der Luftkam-

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mer 24 zum Luftkanal 21 und ein negativer Winkel bC die Luftströmung vom Kanal 21 zur Kammer 24. Diese Messungen wurden über einen Bereich von der Saugöffnung 9 zur Abström öffnung 22 vorgenommen und dadurch die hydrodynamische Neutrallinie 38 ermittelt, d. i. der Punkt, an welchem sich die Strömungsrichtung umkehrt. Die Form eines Rotorflügels gemäß der Erfindung (Fig. 7a - 7e) ist in der Weise bestimmt, daß die Luft außerhalb der hydrodynamischen Neutrallinie 38 von der Kammer 24 in den Luftkanal 21 und die Luft innerhalb der Neutrallinie 38 aus dem Kanal 21 in die Luftkammer 24 unter Anpassung an den Winkel cC strömt. Die hydrodynamische Neutrallinie 38 enthält sogenannte hydrodynamische Neutralpunkte und kann in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren verschoben werden. Es ist vorteilhaft, wenn die Rotorflügel, wie in Fig. 8 gezeigt, einen Teil enthalten, an dem der geneigte Teil 51 des Saugteiles und der ge-¹ neigte Teil 52 des Abströmteiles gleichzeitig vorhanden sind. Die mit der Rotorebene fluchtende Ebene des Rotorflügeis wird von dem Randteil 49 an der Saugseite, dem Neutralteil 48 und dem Randteil 50 an der Abström seite gebildet. Die Breite des Randteiles sollte möglichst klein sein und im Bereich von ID bis 30 % der Flügelstärke liegen, um eine einfache Nachbearbeitung zu gewährleisten. Die Flügelstärke in der Nähe der hydrodynamischen Neutrallinie ist jedoch wegen des geringen Neigungsgrades des Flügels geringfügig größer als die anderen Teile. Dies wird jedoch die Charakteristiken des Gebläses nicht wesentlich beeinflussen und stellt somit kein Problem dar.

Falls das hydrodynamische Zentrum näher am Außenumfang der Luftkammer liegt, kann die Breite des geneigten Teiles 52 an der Ab-

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strömseite klein sein, wenn die Änderung der Breite mit Bezug auf die Lage des genannten hydrodynamischen Punktes berücksichtigt wird, so daß bei einem kleinen Gebläse die Breite des geneigten Teiles 52 unberücksichtigt bleiben kann, weil unter diesen Bedingungen nur vernachlässigbare Differenzen auftreten. Die Neigung um denselben Winkel kann jedoch bei einem Flügel über den Bereich von seiner Nabe bis zum Außenumfang eines Rotors beibehalten werden, um einen anderen Wirkungsgrad zu erhalten.

In Fig. 14 sind Versuchsergebnisse eines mit den erfindungsgemäßen Flügeln ausgerüsteten Gebläses denjenigen eines herkömmlichen Gebläses gegenübergestellt. Das bekannte Gebläse nach den Fig. 1 und 2 besitzt eine Luftkammer vom Radius 25 R, einem Rotor-Außendurchmesser von 238 mm und 39 Rotorflügel. Aus der Zeichnung wird ersichtlich, daß das Gebläse gemäß der Erfindung einen um 40 % größeren Abströmdruck und einen um 7 % größeren inneren Wirkungsgrad als die bekannte Gebläseausführung liefert.

In den beschriebenen Ausführungen ist lediglich der oberste Teil der Rotorblätter allein zur Angleichung an die Luftströmung stromlinienförmig ausgebildet; zur weiteren Verbesserung der erfindungsgemäß angestrebten Wirkungen und Eigenschaften eines Wirbeigebläses können jedoch auch die Rotorflügel über ihre gesamte Länge entsprechend geformt bzw. bearbeitet werden.

Wie in Fig. 5 gezeigt, kehren sich die Richtungen der zirkulierenden Strömung in Abhängigkeit von der Saugseite und der Abströmseite der Rotorkammern oder Zellen 23 um und ändern sich sogar allein an

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der Saugseite oder der Abströmseite. Die Kante la des Rotorflügels nach Fig. 15 kann in einem Winkel von θ über ihre gesamte Randfläche in einer an die Durchschnittsrichtung der zirkulierenden Strömung angepaßten Richtung geschnitten sein, wodurch ein vergleichsweise exzellenter Wirkungsgrad erhalten wird. Der optimale Wert eines Winkels kann entsprechend der spezifischen Ausbildung des Gebläses, z. B. der Größe des Gebläseradteiles, den Flügelabstand etc., geändert werden. In Versuchen hat sich ein Winkel von θ = 30 bis 70 als vorteilhaft erwiesen. Wenn der Winkel O 75 übersteigt, dann wird ein relativ hoher Abströmdruck erhalten, wobei ein solcher Winkel jedoch unter Berücksichtigung der Festigkeit und einer einfachen Herstellung unpraktisch ist, weil er zu einer verringerten Flügelstärke führt. Falls dagegen die Stärke des Flügels vergrößert wird, dann sinkt der wirksame Bereich des Strömungskanals, und die Verluste steigen erheblich.

Unter diesen Verhältnissen kann die Höhe h, die Breite t und der Winkel θ des Flügels durch die Gleichung

^h ° ¹^ ⁺ ' ^h' " ⁶¹» ^{θ =} ³⁰° ' ⁷⁵°

bestimmt werden. Bei einem herkömmlichen Gebläse, d. h. bei einem Winkel θ = 0, liegt der Druckkoeffizient im Bereich von 8 bis 10, wohingegen dieser Koeffizient auf 16 bis 17 ansteigen kann, wenn die ■Kanten der Flügel unter einem optimalen Winkel abgeschrägt sind.

Andererseits kann in Abhängigkeit von der Größe, der Stärke und

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der Höhe eines Flügels ein Teil der Randflächen ohne Schrägung sein, wie in den Fig. 16 oder 17 gezeigt, oder die gesamte geneigte Fläche kann durch eine Bogenfläche ersetzt werden. Ferner kann unter Berücksichtigung der Herstellung die Randfläche des Flügels mit einer geringen Neigung ausgeführt werden, um einen schmaleren oberen Rand des Flügels zu erhalten, oder seine Randteile können abgerundet sein.

Darüber hinaus kann der Flügel insgesamt gegenüber der Öffnungsfläche eines Gebläserades geneigt sein, um den Strömungsverlust zu verringern und die Gebläsecharakteristiken zu verbessern, wobei die schwierigere Herstellung und höheren Kosten gegenüber anderen Gebläsetypen in Kauf genommen werden.

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Claims

Ansprüche

(1 .JWirbelgebläse mit einem Stator, in dem ein Luftkanal mit einer Säugöffnung und einer Abströmöffnung im Bereich seiner entgegengesetzten Enden vorgesehen ist, und mit einem durch eine Vielzahl von Rotorflügeln in Zellen unterteilten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (la) der Rotorflügel (l) im Bereich ihres Innenumfanges in bezug auf die Drehrichtung des Rotors (2) nach rückwärts abgeschrägt sind,
2. Wirbelgebiäse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (la) der Rotorflügel (1) zur Anpassung des Luftstronies derart abgeschrägt sind, daß die Luft innerhalb der hydrodynamischen Neutrallinie (38) der Strömung zwischen der Luftkammer (24) und dem Luftkanal (21) von. der Kammer (24) in den Kanal (21) und die Luft außerhalb der Neutrallinie (38) vom Kanal (21) zur Kammer (24) strömt.
3. Wirbelgebläse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante (la) eines Rotorflügels (l) außerhalb der hydrodynamischen Neutrallinie (38) bezogen auf die Drehrichtiing des Rotors (2) nach vorwärts und die Flügelkante (la) an der inneren Seite des Luftkanals (21) bezogen auf die Drehrichtung des Rotors nach rückwärts abgeschrägt sind, so daß sich der Neigungsgrad der Flügel kante kontinuierlich vom Innen- zum A,ußenumfang des Flügeis bis zur hydrodynamischen Neutrallinie verringert.

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4. Wirbelgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die vom Innenumfang zum Außenumfang verlaufende Flügelkante so geneigt ist, daß die Höhe des Flügels an seiner bezogen auf die Drehrichtung des Rotors hinteren Kante größer als diejenige an der Vorderkante seiner Randfläche ist.

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