DE2648850B2

DE2648850B2 -

Info

Publication number: DE2648850B2
Application number: DE2648850A
Authority: DE
Inventors: Juichi Fujisawa Honda; Yoshimi Tokio Inoue; Akira Nagareyama Suzuki; Tatsumi Tokio Tamaki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-10-31
Filing date: 1976-10-27
Publication date: 1979-10-25
Also published as: DE2648850A1; FR2329877B1; GB1521453A; FR2329877A1; US4152094A; DE2648850C3; SE428961B; CH601673A5; SE7612054L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufelspaltdichtung für Axiallüfter der im Oberbegriff des Patentan spruchs 1 genannten Gattung,

Bei übligen derartigen Lüftern wird durch einen saugseitigen Raum des Lüfters Luft mittels sich drehender oder umlaufender Schaufeln angesaugt und dann vom abströmseitigen Raum als Wirbelströmung abgegeben. Bei der Abgabe einer Wirbelströmung wird bekanntlich der Druck im abströmseitigen Raum insbesondere in solchen Bereichen erhöht, die sich nahe den radial äußeren Enden der Laufrai'schaufeln

ι ο befinden, was eine dreidimensionale oder Raum-Gegenströmung oder eine spiralförmige Luftströmung aus dem abströmseitigen Raum zum saugseitigen Raum durch den Spalt zwischen der Innenfläche des Gehäuses und den radial äußeren Enden der Laufradschaufeln verursacht Folglich wird die Luft-Förder- oder Strömungsmenge bei erhöhtem Geräuschpegel stark herabgesetzt

Bei einer bekannten Schaufelspaltdichtung (DE-AS 10 57 137) soll ein Durchsatz im Bereich des Spaltes zwischen den Schaufelspitzen und der festen Gehäusewand vermieden werden. Es handelt sich dabei aber nicht um einen Axiallüfter, bei dem durch die rotierenden Laufschaufeln Luft gefördert wird, sondern um eine axial beaufschlagte Gasturbine, bei der die Laufradschaufeln durch das durch die Turbine gedrückte Gas beaufschlagt werden. Abgesehen von diesem prinzipiellen GatU'jigsunterschied wird bei der bekannten Ausführung die Abdichtung durch eine treppenförmige Abstufung der Gehäusewand im Bereich der Laufradschaufeln und eine dieser angepaßten Abstufung der Schaufeispitzen erreicht, was eine aufwendige Bearbeitung dieser Teile bedingt

Bei einer weiter bekannten Schaufelspaltdichtung (US-PS 20 30 933) ist an den Laufradschaufelspitzen ein Ring angeordnet, der in einer Ringnut innerhalb des Gehäuses läuft und so einen Luftstrom im Spalt vermeidet Es ist dabei auch noch vorgesehen, seitlich neben dem Laufradschaufelring Leitringe anzuordnen, um die Abdichtung zu verbessern Da auch hier nur ein sehr geringer Spalt vorhanden sein darf, muß die Bearbeitung der Bauelemente entsprechend sorgfältig und daher zum Teil auch aufwendig erfolgen.

Bei einer anderen bekannten Schaufelspaltdichtung (US-PS 36 80 977) ist ebenfalls ein besonderer Laufrad schaufelring vorgesehen, der zwischen Dichtungen verschiedener Ausbildung umläuft, wobei sogar Dichtungen verwendet werden sollten, an denen der Laufradschaufelring direkt anliegt. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einem Axiallüfter der eingangs erwähnten Gattung die nachteilige Gegenströmung in einfachster Weise durch Richten der Umfangskomponente der Luftströmung von den Laufradschaufeln zu vermeiden und dabei sowohl das Luftströmungsverhalten zu verbessern als auch den Geräuschpegel zu verringern.

Diese Ausgabe wird gemäß der Erfindung mit den kennzeichenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteran- Sprüchen festgelegt.

Gemäß der Erfindung wird ein Rück§trom nicht durch besondere Dichtungselemente, sondern durch den Aufbau einer Wirbelströmung verhindert, die bei der Drehung der Laufradschaufeln von den Leitschaufeln erzeugt wird und ruhig und gleichmäßig zur Abströmseite hin gerichtet ist. Durch den dabei auftretenden dynamischen Druck wird ein Rückstrom vermieden. Weiter kann der Innendurchmesser des Gehäuses im

Vergleich zum Außendurchmesser der Laufradschaufeln verhältnismäßig groß gehalten werden, so daß ein örtlicher Druckanstieg rund um die Laufradschaufeln vermieden werden kann, wodurch der Geräuschpegel wesentlich verringert wird. Da dann weiter der Spalt verhältnismäßig groß sein kann, besteht gerade im Bereich des Spalts keine Notwendigkeit einer besonderen Maßgenauigkeit.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher ertäutert. Es to zeigt

F ί g. I im Längsschnitt den wesentlichen Teil eines herkömmlichen Axiallüfters,

F i g. 2 im Schnitt in I Jmfangsrichtung den Axiallüfter gemäß F i g. 1 zur Erläuterung der Luftströmungs-Richtung um die Laufradschaufeln,

Fig.3 im Längsschnitt den wesentlichen Teil eines erfindungsgemäßen Axiallüfters,

F i g. 4 in Vorderansicht den Axiallüfter gemäß F i g. 3,

Fig.5 perspektivisch im Teilschnitt den Axiallüfter gemäß F ig. 3,

Fig.6 einen Schnitt längs des Umfangs des Axiallüfters gemäß F i g. 3 zur Erläuterung der Luftströmung um die Laufradschaufeln,

F i g. 7 eine Darstellung zur Erläuterung der dynamisehen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Axiallüfter,

Fig.8 in Abwicklung eine Leitschaufel des erfindungsgemäßen Axiallüfters,

Fig.9 im Längsschnitt eine Teilansicht eines wesentlichen Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung,

Fig. 10 im Längsschnitt eine Teilansicht eines wesentlichen Teils eines dritten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung,

F i g. 11 in Vorderansicht den Axiallüfter gemäß F i g. 10 und

Fig. 12 perspektivisch im Teilschnitt den Axiallüfter gemäß F ig. 10.

In F i g. I ist ein üblicher herkömmlicher Axiallüfter -to dargestellt, der ein zylindrisches Gehäuse 3 besitzt, das einen Motor 1 und Laufradschaufeln 2 aufweist, die an der Welle des Motors 1 befestigt sind. Ein Raum auf der Saugseite 4 und ein Raum auf der Abströmseite 5 sind links bzw. rechts der Laufradschaufeln 2 definiert. Dabei *5 ist die Anordnung so, daß die vom saugseitigen Raum angesaugte Luft durch die Laufradschaufeln 2 gefördert und durch den abströmseitigen Raum in Form einer Wirbelströmung abgegeben wird.

Bei zunehmender fjjftmenge auf der Abströmseite erfolgt eine örtliche Druckerhöhung im abströmseitigen Raum insbesondere im Bereich 6 um die radial äußeren Enden 2a der Laufradschaufeln 2, was eine dreidimensionale oder räumliche Gegenströmung oder eine Spiralströmung durch einen Raum oder Spalt 7 hervorruft, der zwischen den Flügelenden 2a und der Innenfläche des Gehäuses 3 gebildet ist, die von dem abströmseitigen Raum in den saugseitigen Raum geführt ist, wie sich das aus F i g. 1 ergibt. Gemäß F i g. 2 drehen sich die Laufradschaufeln 2 in Richtung des Pfeils 8, wodurch der Durchtritt einer bestimmten Luftmenge von der Saugseite 4 zur Abströmseite 5 möglich ist, wie dies durch eine Vollinie dargestellt ist, während die erläuterte Gegenströmung im Spalt 7 durch eine Strichlinie dargestellt ist. Daraus ergibt sich, daß diese Gegenströmung die Ausgangsstrcmung des Axiallüfters verringert und den Geräuschpegel nachteilig erhöht.

In den F i g, 3 bis 6 ist ein Axiallüfter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem ein Gehäuse 9 einen größeren Innendurchmesser besitzt als das herkömmlicher Axiallüfter, um einen ausreichend großen Abstand oder Raum zwischen den FIQgelenden 2a und der Innenfläche des Gehäuses 9 zu erreichen. Mehrere Leitschaufeln 10 sind in Reihe in Umfangsrichtung in den Spalt angeordnet. Die Leitschaufeln 10 sind symmetrisch zu den Laufradschaufeln 2 und deren Achse spiralförmig verwunden oder angestellt Dabei ist unter »Anstellwinkel« der Laufradschaufeln 2 der Winkel zwischen den Laufradschaufeln 2 und einer Ebene senkrecht zu deren Achse zu verstehen. Auf diese Weise sind die Leitschaufeln 10 so angeordnet, daß sie einen Anstellwinkel und eine Form besitzen, die symmetrisch zu denen der Laufradschaufeln 2 in bezug auf deren Achse ist, um so die dreidimensionale oder räumliche Wirbelströmung durch Zentrifugal-Rotations- und Axialkräfte zu führen, die durch die Drehung der Laufradschaufeln hervorgerufen sind (vgl. Fig.6). Wie in F i g. 6 dargestellt, ist ■ in Ende 10b einer Leitschaufel 10 an der Saugseite 4 im einen kleinen Abstand A in Umfangsrichtung vom anderen Ende 10a der benachbarten Leitschaufel 10 an der Abströmseite 5 beabstandet.

Dp die Leitschaufeln 10 zum Einführen einer Umfangskomponente der Luftströmung in Richtung auf die Abströmseite 5 angeordnet sind, wird die Wirbelströmung der Luft um die Schaufelenden 2a sanft oder allmählich längs den Leitschaufeln 13 zur Abströmseite 5 geführt, wie das in F i g. 6 durch eine Vollinie dargestellt ist. Daraus ergibt sich, daß der Axiallüfter nicht mehr nachteiligen örtlichen Druckanstiegen im Bereich der Laufradschaufelenden 2a unterliegt, so daß keine Gegenströmung auftritt, wodurch sowohl eine erhöhte Ausgangsströmungsmenge und ein erhöhter Abströmdruck als auch eine erhebliche Verringerung des Geräuschpegels zu erreichen sind.

Diese außerordentlichen Wirkungen ergeben sich deutlich aus Fig.8, die das Ergebnis eines Versuchs zeigt, der zum Vergleich eines herkömmlichen Axiallüfters mit dem erfindungsgemäßen Axiallüfter durchgeführt worden ist. Der Versuch wurde mit einem erfindungsgemäßen Axiallüfter durchgeführt, der sechs Leitschaufeln mit jeweils 50 mm Axiallänge und 10 mm Radialhöhe aufwies. Die Leitschaufeln waren linear in Umfangsrichtung längs des Innenumfangs des Gehäuses angeordnet und unter 60° gegenüber der Linie bzw. Achsrichtung der Laufradschaufeln geneigt, wie das in Fig.8 dargestellt ist. Das Gehäuse besaß einen Innendurchmesser von 180 mm. Der Axiallüfter besaß ein Flügelrad mit 150 mm Außendurchmesser und 45 mm Axialhöhe. Der im Versuch verwendete herkö.ntnliche Axiallüfter besaß die gleiche Größe und den gleichen Aufbau einschließlich der Laufradschaufeln wie der Axiallüfter g;mäß der Erfindung, wobei jedoch der Innendurchmesser des Gehäuses 160 mm betrug und keine Leitschaufel vorgesehen waren. Die beiden Axiallüfter wurden mit 2000 U/min betrieben, wobei sie jeweils Kennlinien gemäß Fig.7 zeigten, in der die Vollinie die Kennlinie des erfindungsgemäßen Axiallüfters und die Strichlinie die Kennlinie des herkömmlichen Axiallüfters zeigen. Daraus ergibt sich, daß die Ausgangs-Strömungsmenge und der Abströmdruck, die sich bei dem erfindungsgemäßen Axiallüfter ergeben, diejenige bzw. denjenigen beim herkömmlichen Axiallüfter um etwa 50% übersteigen. Gleichzeitig wurde festgestellt, daß der Geräuschpegel bei dem erfindungs-

gemäßen Axiallüfter gegenüber dem herkömmlichen Axiallüfter um 4 dB herabgesetzt war.

Aus dem Versuch ergaben sich auch die optimale Anordnung und der optimale Aufbau der Leitschaufeln 10, wie im folgenden näher erläutert wird.

Durch den Versuch wurde nämlich nachgewiesen, daß die beste Wirkung erreicht wurde, wenn die Leitschaufeln 10 eine Radialhöhe £ besaßen, die 5—15% des Außendurchmessers beträgt, sowie eine Axiallänge, die größer als die der Laufradschaufeln ist. Da die Leitschaufeln 10 dazu dienen, die Wirbelströmung der Luft von den Laufradschaufeln zur Abströmseite 5 hin zu richten, ist es empfehlenswert, daß die Leitschaufeln 10 bezüglich der Achse der Laufradschaufeln 2 symmetrisch zu diesen geneigt sind, so daß die Leitschaufel 10 und die Laufradschaufeln 2 einander in einer Ebene unter einem Winkel von vorzugsweise etwa 90° schneiden. Jedoch ist nicht der Winkel zwischen den Leiischauiuiri 10 und den LaiifiäuSciiäüicifi 2, Süfiuern der Winkel der Leitschaufel 10 bezüglich der Richtung der Wirbelströmung ausschlaggebend, um ein gutes Ergebnis zu erhalten. Wenn auch beim Versuch flache Leitschaufeln 10 verwendet worden sind, besitzen die Leitschaufeln 10 vorzugsweise eine konvexe Oberfläche gegenüber der Saugseite 4 der Laufradschaufeln, wie das in Γ i g. 6 dargestellt ist. so daß die Wirbelströmung sanfter oder allmählicher geführt werden kann.

Um eine Gegenströmung zu vermeiden, überlappen sich das eine abströmseitige Ende 10;i einer Leitschaufel mit dem gegenüberliegenden saugscitigen Ende 106 der benachbarten Leitschaufel bei Betrachtung in Achsrichtung des Axiallüfters. Dies isl jedoch nicht kritisch, weshalb ein schmaler Spalt mit dem Abstand A (vgl. I ig. 4.6) zwischen den Enden 10a und 10£> zulässig ist.

Selbstverständlich kann der Abstand A des Spalts durch Leitschaufel mit größerer Axiallänge verringert werden, während die Anzahl der Leitschaufeln bei gegebenem Abstand A des Spalts durch Leitschaufeln größerer Axiallänge verringert werden kniin.

F i g. 5 zeigt Leitschaufeln 10, die an der inneren Umfangswand des Gehäuses 9 an einer einstückigen Befestigungszunge 10c mittels Punktschweißens od. dgl. befestigt sind. Bei dieser Anordnung muß der Spalt

ΐ zwischen den Leitschaufeln 10 und dem Gehäuse 9 so klein wie möglich gemacht werden.

Wenn auch die Leitschaufeln 10 in Axialrichtung des Gehäuses sich über die gesamte Axialerstreckung oder Erstreckung in Achsrichtung der Laufradschaufeln

ίο erstrecken, ist das nicht ausschließend aufzufassen, und die nahezu gleiche Wirkungsweise wie bei der Anordnung gemäß Fig. 6 kann durch eine Anordnung der Leitschau^reln 10 erreicht werden, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist. Bei dieser Anordnung sind die smigscitigen Enden 106 der Leitschaufeln vorzugsweise auf der Seite der Mittellinie der Laufradschaufeln 2 nahe der Saugseile 4 angeordnet. Es ist auch vorzuziehen, daß die Leitschaufeln 10 eine Erstreckung in Achsrichtung besitzen, die größer als die der Laufradschaufel;! 2 ist.

Ausgehend von der erfindungsgemäßen Lehre ist es selbstverständlich bedeutungslos, die Leitschaufeln 10 nahe der Saugseite 4 anzuordnen, da derartige Leitschaufel 10 die Wirbelströmung, die von den Laufradschaufeln zur Abströmseite 5 abgegeben wird, nicht beeinflussen können.

Es ist auch möglich und auch wirkungsvoll, die Leitschaufeln 10 abströmseitig der Laufradschaufel ohne Überlappung anzuordnen, wenn eine fluid-dynamische Interferenz oder gegenseitige Beeinflussung zwischen den Leitschaufeln 10 und den Laufradschaufeln 2 vorhanden ist.

Die Fig. 10 bis 12 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem an sich bekannte ortsfeste Flügel 11 an der Abströmseits 5 vorgesehen

sind, die mit den Leitschaufeln 10 verbunden sind. Die Luftströmung wird allmählich längs den Leitschaufeln 10 und dann den Stator oder ortsfesten Flügeln 11 geführt, so daß der Geräuschpegel erheblich verringert wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaufelspaltdichtung für Axiallüfter zum Verringern des Röckstromes von der Druck- zur Saugseite in dem zwischen Schaufelspitzen und Gehäuse gebildeten Spalt, gekennzeichnet durch mehrere an der Innenfläche des Gehäuses (9, 13) befestigte Leitschaufeln (10), deren Radialhöhre (E) kleiner als der zwischen dem Gehäuse (9, 13) und den Laufradschaufeln (2) gebildete Spalt (7) ist und die in Gegenrichtung zur Anstellrichtung der Laufradschaufeln (2) angestellt sind.

2. Schaufelspaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (10) symmetrisch zu mindestens einem Teil der Laufradschaufeln (2) in Bezug auf deren Achsrichtung angeordnet sind

3. Schaufelspaltdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitscbaufeln (10) in Achsrichtung zuminest zu 70% über die Laufradstfraufeln (2) erstrecken.

4. Schaufelspaltdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (10) symmetrisch zu mindestens einem Teil der Laufradschaufeln (2) an der Abströmseite (5) angeordnet sind.

5. Schaufelspaltdichtung nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß die abströmseitigen Enden (10a; der Leitschaufeln (10) über die Laufradschaufeln (2) in die Abströmseite (5) vorspringen.

6. Schautelspaltdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daii die Erstreckung der Leitschaufeln (10) in Aufrichtung größer als die der Laufradschaufeln (2) ist, und Jaß die saugseitigen Enden (106; der Leitschaufeln (10) in Längsrichtung über die radiale Mittellinie der Laufradschaufeln (2) in die Saugseite (4) ragen.

7. Schaufelspaltdichtung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung der Leitschaufeln (10) in Achsrichtung größer als die der Laufradschaufeln (2) ist.

8. Schaufelspaltdichtung nach einem der Anspräche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialhöhe (E) der Leitschaufeln (10) mindestens 3% des Außendurchmessers der Laufradschaufeln (2) beträgt.

9. Schaufelspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialhöhe (FJ der Leitschaufeln (10) 5 bis 15% des Außendurchmessers der Laufradschaufen (2) beträgt.

10. Schaufelspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (10) so an der Innenfläche des Gehäuses (9,13) befestigt sind, daß die Leitschaufeln

(10) rechtwinklig zu den Laufradschaufeln (2) ausgerichtet sind.

11. Schaufelspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ortfeste Flügel

(11) an der Abströmseite (S), die mit den Leitschaufeln (10) am jeweiligen abströmseitigen Ende (iOa) verbunden sind.