DE2529541A1 - Geblaese mit verringerter geraeuscherzeugung - Google Patents

Geblaese mit verringerter geraeuscherzeugung

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DE2529541A1 DE19752529541 DE2529541A DE2529541A1 DE 2529541 A1 DE2529541 A1 DE 2529541A1 DE 19752529541 DE19752529541 DE 19752529541 DE 2529541 A DE2529541 A DE 2529541A DE 2529541 A1 DE2529541 A1 DE 2529541A1
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Description

D-S MUENCHEN 86 476810
makia-theresia-sthassb » s8
9674-75/Alt
ROTRON INCORPORATED
Hasbrouck Lane
Woodstock, New York, U.S.A.
Gebläse mit verringerter Geräuscherzeugung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Verminderung von Geräuschen in Vorrichtungen zur Bewegung von Luft oder anderen gasförmigen Strömungsmitteln. Die Erfindung betrifft insbesondere Mittel zur Verminderung von Geräuschen, die durch den Durchgang der Gebläseflügel durch ein gasförmiges Medium erzeugt werden.
In Gebläsen oder ähnlichen Vorrichtungen erzeugt die Drehung von einem oder mehreren Flügeln durch ein gasförmiges Medium, z.B. Luft, zur Erzeugung einer Strömung des Mediums manchmal hörbarer Geräusche, die unangenehm, wenn nicht unerträglich sind. So werden z.B. in großen elektronischen Einrichtungen, wie z.B. elektronischen Computersystemen, viele kleine Gebläse in den Computerkammern verwendet, um die in diesen Kammern angeordneten elektronischen Komponenten zu kühlen. Wenn solche Gebläse erhebliche Geräusche erzeugen, wird das Personal,
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welches den Computer benützt, gestört und seine Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. Es ist klar, daß in dieser sowie in anderen Umgebungen eine Verminderung von unerwünschten und störenden Geräuschen wünschenswert ist.
Die mit Gebläsen oder Lüftern verbundenen Geräusche können in zwei große Kategorien eingeteilt werden. Die erste Kategorie umfasst solche Geräusche, die von den für die Drehbewegung der Flügel oder Laufräder verantwortlichen Komponenten herrührt. In diesen Komponenten, wie z.B. den Motor- und Lageranordnungen, werden Geräusche in erster Linie durch das Auftreffen oder die relative Bewegung von mechanischen Elementen erzeugt. Die zweite Kategorie umfasst solche Geräusche, die durch die durch Drehung der Gebläseflügel verursachte Bewegung der Luft oder eines anderen Strömungsmittels hervorgerufen werden.
Die letztere Kategorie schließt Geräusche ein, die als "Flügeldurchlaßgeräusch" bekannt sind, welche in solchen Gebläsen auftreten, in welchen sich die Flügel in der Nähe von mechanischen Elementen drehen, wie z.B. Streben, welche die Gebläseanordnung in Bezug auf irgendein Gehäuse oder eine Ummantelung tragen. Jedesmal, wenn ein Flügel eine Strebe passiert, tritt eine Druckveränderung auf, welche, wenn mit der Zahl der Flügel, der Zahl der Streben und der Drehgeschwindigkeit der Gebläseflügel multipliziert>ein hörbares Geräusch von erheblichem und belästigendem Umfang erzeugen kann. Zur Erzeugung eines solchen Flügeldurchlaßgeräusches tragen verschiedene Faktoren bei, wie z.B. die geometrischen Beziehungen der Flügelkanten in Bezug zu den Streben, die Anzahl der Flügel und Streben, die Form der Streben selbst usw. Dieses Geräusch kann durch entsprechende
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Handhabung dieser Faktoren bis zu einem erträglichem Maß gesteuert werden.
In manchen Gebläsen geben die aerodynamischen Verhältnisse Anlaß zu einem weiteren Geräuschausgang, oft in einer relativ hohen Tonhöhe im hörbaren Spektrum, der eine solche Intensität annehmen kann, daß er besonders lästig wird. Dieses Geräusch wird als Wirbelgeräusch bezeichnet und resultiert aus einem Vorgang, den man "Wirbelablösung11 nennt, d.h. ein Phänomen, das sich aus der die Austrittskanten der Flügel während des Betriebs in Form von Wirbeln oder Verwirbelungen verlassenden Luft ergibt. Das Wirbelmuster kann Anlaß zu Druckschwankungen geben, deren Frequenzen und Intensitäten innerhalb des hörbaren Bereiches liegen.
Obwohl die Existenz dieses Phänomens und das sich ergebende Geräusch im Stande der Technik wohl bekannt sind, hat man diesen Dingen in der Vergangenheit relativ wenig Beachtung geschenkt. In vielen Gebläsen mag das Wirbelgeräusch aufgrund von Eigenschaften des Gebläses selbst eine solche Frequenz und eine solche Intensität aufweisen, daß eine besondere Beachtung nicht erforderlich ist oder daß das Geräusch von anderen Geräuschen des Gebläses überdeckt wird. Wenn das Wirbelgeräusch ein zu berücksichtigender Faktor wird, hat man bisher vorgeschlagen, das Geräusch dadurch zu verkleinern, daß man die Flügeloberflächen, insbesondere die den Austrittskanten der Flügel benachbarten Oberflächen aus einem porösen Material herstellt, womit bezweckt wurde, dLe Ausbildung einer Wirbelströmung des die Flügelkante verlassenden Gases zu verhindern oder zu reduzieren.
Die hauptsächliche Lösung des Problems bestand bisher jedoch darin, die Betriebszustände, in welchen solche Geräusche auf-
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treten können, zu vermeiden. Da das Wirbelgeräusch eine Funktion des Betriebszustandes des Gebläses ist und nur ■ auftritt, wenn das Gebläse in bestimmten Abschnitten seines Druck/Fluß-Diagrairanes betrieben wird, geben Gebläsehersteller die vorgeschlagenen Betriebsbereiche eines Gebläses besonders an, um solche Bereiche auszuschließen, die Anlaß zu Wirbelgeräuschen geben. Der Betrieb innerhalb dieser vorgeschlagenen Bereiche wird also das Geräuschproblem vermeiden, aber zur gleicher Zeit wird hierdurch die Nützlichkeit des Gebläses begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einfache und zuverlässige Mittel zur Verminderung des Wirbelgeräuschs zu schaffen, wodurch ermöglicht wird, daß ein gegebenes Gebläse in jedem Teil seiner Betriebsbedingungen benutzt werden kann, ohne Anlaß zu lästigen Wirbelgeräuschen zu geben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Wirbelströmung, die normalerweise an der Austrittskante eines sich bewegenden Gebläseflügels hervorgerufen wird undwelche unter normalen Betriebsbedxngungen des Gebläses Anlaß zu Druckschwankungen mit hörbarer Frequenz geben würde, durch die Anordnung von Unregelmäßigkeiten in den Kanten der Flügel auseinandergerissen. Diese Unregelmäßigkeiten können die Form von Kerben aufweisen, die in Längsrichtung entlang der Flügelkanten von der Spitze bis zum Ansatz angeordnet sind und V-förmig, U-förmig, rechteckig usw. ausgebildet sein können. Die Wirkung dieser Kerben besteht darin, eine Mischung von Wirbeln zu erzeugen, welche die Flügelkante an verschiedenen Punkten und in verschiedenen Richtungen verlassen. Dies ruft einen Turbulenzzustand an der Flugelaustrxttskante hervor, deren Druckschwankungen sich über einen relativ großen Frequenzbereich
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erstrecken. Infolgedessen wird das besonders lästige hochfrequente Wirbelgeräusch erheblich in seiner Intensität vermindert, was die Verwendung des Gebläses in Betriebszuständen, die bisher Anlaß zu solchem Geräusch gaben, recht zufriedenstellend macht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den beiliegenden Figuren.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines Gebläses,
Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, des Gebläses nach Fig. I1
Fig. 3 und k verschiedene Formen der in dem Gebläse gemäß Fig. 1 und 2 verwendbaren Einkerbung, und
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Einkerbung.
In Fig. 1 und 2 ist ein kommerziell hergestelltes Gebläse gezeigt, das unter dem Namen "Federgebläse" verkauft wird. Der Gesamtdurchmesser des Gebläses beträgt 17»8 cm (7 inch) und seine Tiefe beträgt ungefähr 6,35 cm ( 2,5 inch). Das Gebläse kann bis zu 7»64 m /min (270 cu.ft/min) fördern und wird zur Kühlung von elektronischen Ausrüstungen, wie z.B. Computerkonsolen, Relaisgestellen, Stromversorgungen u. dgl. benutzt. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit dem besonderen Aufbau des dargestellten Gebläses beschrieben, aber es ist klar, daß die Erfindung auch auf andere Vorrichtungen zur Bewegung von
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Gas oder Luft» in welchen Wirbelgeräusche auftreten, von denen das Federgebläse lediglich ein Beispiel ist, anwendbar ist.
Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, weist die Gebläseanordnung einen Venturiring oder eine Ummantelung 10 auf, innerhalb der die Gebläseanordnung 12 von einer Mehrzahl von sich radial erstreckenden Streben lk getragen ist. Die Streben lA unterstützen an ihrem inneren Ende eine Statornabe l6, welche den Stator eines elektrischen Motors zum Antrieb der Gebläseflügel trägt.
Eine Rotornabe l8 trägt eine Mehrzahl von Gebläseflügeln (drei im dargestellten Gebläse),die in gleichen Winkelabständen untereinander um die Nabe angeordnet sind. Der gesamte Rotoraufbau des Motors einschließlich der Rotornabe und der Flügel ist in geeigneten Lagern gelagert und für eine Drehung relativ zu der Statoranordnung befestigt. Die Streben l4 unterstützen daher die gesamte Motor- und Gebläseflügelanordnung innerhalb des Venturiringes 10. Die Gebläseanordnung der Fig. 1 und 2 erzeugt eine Luftströmung in axialer Richtung, was durch die horizontalen Pfeile in Fig. 2 angezeigt ist, infolge der Drehung der Flügel 20 im Gegenuhrzexgersxnn, wie in Fig. 1 angezeigt. Die Flügel 20 weisen eine Eintrittskante 20a und eine Austrittskante 20b auf.
Wie oben bereits angeführt, geben Gebläseflügel der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art, aber ohne die dort dargestellten gekerbten Santentunter bestimmten Betriebsbedingungen Anlaß zu einem durch Wirbelablösung verursachten Geräusch. Dieses Geräusch resultiert aus den aerodynamischen Eigenschaften des Flügels und ist eine Funktion der Geschwindigkeit der den
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Flügel verlassenden Strömung, der Flügeldicke und der Druckdifferenzen zwischen der Saug- und Druckseite des Flügels. Diese Eigenschaften erzeugen an den Austrittskanten der Flügel Wirbel, welche sich durch schwankende Drücke manifestieren, wobei die Druckschwankungen Frequenzen im hörbaren Bereich aufweisen. Wenn die Austrittskante des Flügels kontinuierlich ist, d.h. eine glatte, ungebrochene Linie bildet, treten diese Druckschwankungen innerhalb eines sehr schmalen Frequenzbereiches auf, der sich um eine relativ hohe hörbare Spitzenfrequenz, z.B. 2000 Hertz, zentriert, und diese Druckschwankungen zeigen eine ausreichende Intensität, um lästig zu werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Wirbelgeräusch durch körperliche Veränderung der Form des Flügels vermindert, um die Luftmuster beim Abströmen derart zu stören, daß die sich aus der Wirbelströmung ergebenden Schwankungen mit relativ gleichen und geringen Intensitäten über einen großen Frequenzbereich, und nicht im wesentlichen bei einer einzigen Spitzenfrequenz auftreten. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform nimmt die körperliche Deformation die Form einer Reihe von Kerben 21 an, im vorliegenden Fall V-förmig, die in der Austrittskante 20b des Flügels ausgebildet sind. Aufgrund dieser Kerben beginnt die Wirbelablösung nicht in regelmäßiger Art und Weise entlang der Austrittskante des Flügels, wie bei herkömmlichen Flügeln, sondern startet unregelmäßig entlang der Kanten der Kerben. Dies erhöht die Ablösungslänge und ergibt Veränderungen in den den Flügel verlassenden Wirbelintensitäten, wobei die stärksten Wirbel in den Kerbgründen und die schwächsten Wirbel in den Graten auftreten.
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Das Ergebnis dieser Mischung von Wirbelintensitäten besteht darin, einen Turbulenzzustand entlang der Austrittskanten eines Flügels aufzubauen. Die in einem solchen Turbulenzzustand auftretenden unregelmäßigen Druckschwankungen weisen.Frequenzen über einen relativ breiten Frequenzbereich auf, ohne signifikante Amplitudenspitzen bei irgendeiner einzigen Frequenz. Diese große Bandbreite hat die Wirkung, die Intensität des Geräusches bei der unerwünschten, relativ hohen Frequenz auf ein erträgliches Maß zu reduzieren.
Die Einkerbung der Erfindung kann auf Flügel mit konstanter Dicke, wie z.B. in Fig. 2 gezeigt, oder auf Flügel mit stromlinienförmigen Querschnitt angewendet werden. Bei einem Flügel der letzteren Art besteht die Wirkung der Kerben darin, eine Veränderung in der Dicke in der Austrittskante zu erzeugen. Da die Spitzenfrequenz des Wirbelablösungsgeräusches eine Funktion dieser Dicke ist, kann mit der Ungleichheit einer Verminderung des Geräusches bei der lästigen Frequenz erreicht werden.
Es ist festgestellt worden, daß der Geräuschverminderungseffekt des Einkerbens optimal ist, wenn die Kerben gleiche Größe aufweisen und einen konstanten Abstand entlang der Flügelkante haben. Bei Federgebläsen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art ist festgestellt worden, daß Kerben mit dLner Tiefe von ungefähr 0,635 cm (0,25 inch), einer Breite an der Flügelkante von ungefähr 0,762 cm (0,3 inch) und einer Gratbreite von ungefähr 0,25^ cm (0,1 inch) eine optimale Geräuschverminderung ergeben. Die genauen Abmessungen werden sich natürlich verändern entsprechend den Eigenschaften der Gebläse und Flügel, auf welche die Erfindung angewendet wird.
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Es ist außerdem festgestellt worden, daß die aus der Einkerbung der Flügelkante sich ergebende Geräuschverminderung vergrößert werden kann, wenn die Reihen der Kerben in den jeweiligen Flügeln relativ zueinander versetzt oder auf Lücke gesetzt sind, so daß an den jeweiligen Flügeln verschiedene Strömungsmuster erzeugt werden. Dies ist in Fig. 1 dargestellt, in welcher die Reihen der Kerben in den Austrittskanten der Flügel 20 zwar alle den gleichen Abstand und die gleichen Abmessungen aufweisen, jedoch in Längsrichtung entlang der Kante der Flügel untereinander um einen Betrag versetzt sind, der kleiner als der Grat der Kerben ist. Durch eine solche Versetzung der Ausgangspunkte der Reihen von Kerben auf den jeweiligen Flügeln werden identische Strömungsmuster, welche sich verstärken und eine unerwünschte Geräuschkomponente ergeben könnten, vermieden.
In dem besonderen dargestellten Ausführungsbeispiel, d.h. dem Rotron Federgebläse hat man festgestellt, daß ein um ungefähr eine Frequenz von 2 000 Hz zentriertes Geräusch mit unangenehmer Intensität unter bestimmten Betriebsbedingungen auftritt. Durch Schaffung der in Fig. 1 dargestellten Einkerbung, d.h. V-förmige Kerben der oben angeführten Abmessungen, wobei die Reihen der Kerben in Längsrichtung untereinander auf den jeweiligen Flügeln versetzt sind, lag die Geräuschverminderung bei dieser Frequenz in einer Größenordnung von 10 db. Obwohl sich eine gewisse Verminderung in der Gebläseleistungsfähigkeit durch die von der Einkerbung verursachte Turbulenz ergab, war diese doch relativ klein und sehr wohl die Geräuschverminderung wert, für welche sie eingetauscht worden ist.
In Fig. 3 und k sind andere Einkerbungsformen dargestellt, welche gemäß der Erfindung benutzt werden können. In Fig. 3
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sind die Kerbgründe im wesentlichen U-förmig und die Grate in ähnlicher Weise abgerundet, um eine abgerundete Einkerbung zu schaffen. In Fig. k bestehen die Kerben aus rechteckigen Ausschnitten, die in der Austrittskante ausgebildet sind. In den beiden Einkerbungsarten entsprechen die Abmessungen im wesentlichen denjenigen, die im vorhergehenden in bezug auf die V-förmigen Kerben, die in Fig. und 2 gezeigt sind, angegeben worden sind.
Bei den Ausfuhrungsformen der Fig. 1 bis k erstreckt sich die Einkerbung der Austrittskanten der Flügel über die gesamte Länge der Kante, d.h. vom Ansatz bis zur Spitze. Es ist festgestellt worden, daß eine wesentliche Wirbelgeräuschverminderung erreicht werden kann, wenn die Einkerbung lediglich auf dem halben Wege von der Spitze zum Ansatz ausgebildet ist, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Während diese Anordnung geringfügig weniger effektiv in der Geräuschverminderung ist als die Einkerbung über die gesamte Länge, ergibt sich aus der Einkerbung über die halbe Länge ein geringerer Leistungsverlust, wobei dieser Verlust im Vergleich zu einem ungekerbten Standardflügel vernachlässigbar ist.

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    / 1.) Gebläsevorrichtung mit einer Mehrzahl von sich gleichzeitig um eine Achse drehenden Flügeln zur Erzeugung einer Strömung in einer im allgemeinen parallel zu dieser Achse verlaufenden Richtung, wobei die Flügel jeweils eine Eintritts- und eine Austrittskante in Bezug auf die Strömungsrichtung haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskante (20b) der Flügel (20) eine Reihe von Kerben (21) in ihrer Längsrichtung aufweist, um Turbulenzzustände zu schaffen, wenn das Strömungsmittel den Flügel (20) verlässt, wodurch Druckschwankungen erzeugt werden, die sich über einen relativ großen Frequenzbeieich erstrecken.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (21) von gleicher Größe sind und einen konstanten Abstand aufweisen.
  3. 3- Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen von Kerben (21) entlang den Kanten (20b) der jeweiligen Flügel (20) untereinander jeweils in Längsrichtung um einen Betrag versetzt sind, der kleiner als der Abstand der Kerben (21) ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (21) V-förmig ausgebildet sind.
  5. 5· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (21) U-förmig ausgebildet sind.
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  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (21) rechteckig ausgebildet sind.
  7. 7- Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (21) sich entlang der gesamten Länge der jeweiligen Flügelkante (20b) erstrecken.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (21) sich entlang der Flügelkante nur über eine Teilstrecke von der Spitze der Flügel (20) in Richtung auf ihren Ansatz erstrecken.
  9. 9. Gebläsevorrichtung, gekennzeichnet durch eine um eine Achse drehbare Nabe (l8), eine Mehrzahl von am Umfang dieser Nabe (l8) in gleichen Winkelabständen befestigten Gebläseflügeln (20), wobei die Flügel (20) eine Eintrittsund Austrittskante (20a, 20b) in Bezug auf die durch Drehung der Flügel erzeugte Strömungsrichtung aufweisen, eine Reihe von V-förmigen, Kerben (2l) gleicher Große und mit konstantem Abstand, die in und entlang der Länge der Austrittskante (20b) der Flügel (20) ausgebildet sind, wobei die Reihe von Kerben (2l) in der Austrittskante (20b) eines jeden Flügels (20) in Bezug auf die Reihe der Kerben (21) in den Austrittskanten (20b) der anderen Flügel (20) in Längsrichtung entlang des Flügels (20) versetzt sind, wodurch Turbulenzzustände an den Austrittskanten (20b) der Flügel (20) hervorgerufen werden, die Druckschwankungen über einen relativ großen Frequenzbereich zeigen.
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