DE2703568C2

DE2703568C2 - Axialrad, insbesondere für Lüfter mit einem niedrigen Druckverhältnis

Info

Publication number: DE2703568C2
Application number: DE2703568A
Authority: DE
Inventors: John F. Torrington Conn. O'Connor
Original assignee: Torin Corp
Current assignee: Torin Corp
Priority date: 1976-01-28
Filing date: 1977-01-28
Publication date: 1986-03-06
Also published as: FR2339740B1; DE2703568A1; IT1082388B; US4063852A; GB1572767A; FR2339740A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Axialrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Im Laufe der Jahre sind für die Verwendung von Axialrädern im Niederdruckbereich die verschiedensten Schaufelformen entwickelt worden. Schaufelparameter wie die Wölbung, die Steigung und die Profilsehne sind variiert worden, um zu den gewünschten Leistungsdaten der Axialräder zu gelangen. Die Schaufeln, deren Form durch empirische und auch durch anspruchsvollere Konstruktionsverfahren ermittelt worden ist, haben im allgemeinen zwar zufriedenstellend gearbeitet, mehr oder minder große Probleme traten jedoch wegen übermäßiger Größe, Geräusch- und Schwingungserzeugung usw. im Betrieb auf.

Ein bekanntes Axialrad der eingangs genannten Art (DE-AS 15 03 609) ist für einen Axialventilator mit hoher statischer Druckerzeugung bestimmt, der einen Gehäusering aufweist, in den ein Teil des Axialrades hineinragt, so daß die geförderte Luft bereits im ersten Teil des Axialrades eine Ablenkung erfährt und das Axialrad mit einer radialen Strömungskomponente verläßt. Dadurch, daß bei diesem bekannten Axialrad, dessen Schaufellänge von der Anströmseite in axialer Richtung gesehen stetig zunimmt, der Gehäusering, der sich in Förderrichtung konisch erweitert und sich etwa bis über die halbe Nabenbreite des Axialrades erstreckt, und ein in etwa konstant gehaltener Luftspalt zwischen dem Gehäusering und dem Axialrad verwendet werden, sollen bei geräuscharmem Lauf der hohe statische Druck sowie eine große Förderleistung erzeugt werden. Dieses Ergebnis ist aber nur erzielbar, wenn tatsächlich der dafür erforderliche Gehäusering verwendet wird, wenn die Wölbung vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze im Wert stetig abnimmt und die Sehnenlänge vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze im Wert stetig zunimmt

Es ist zwar bereits ein Axialrad bekannt iUS-PS 20 92 030), das keinen Gehäusering aufweist, es hat jedoch im übrigen nicht den Aufbau des Axialrades der

ίο eingangs genannten Art, denn die Schaufelarbeitsfläche beginnt bei diesem bekannten Axiairad mit einer konvexen Oberfläche in der Nähe der Nabe und geht in Richtung zu dem Spitzenteil der Schaufel hin allmählich in eine konkave Oberfläche über, die Wölbung nimmt also zunächst auf null ab und dann wieder zu. Außerdem ist bei diesem bekannten Axiairad die Sehnenabmessung am Fuß nicht wesentlich kleiner als an der Spitze, und außerdem nimmt die Sehnenlänge über der Schaufelhöhe zur Schaufelspitze hin zunächst zu und dann wieder ab.

Schließlich ist ein Axialrad bekannt (US-PS 22 53 066), das ebenfalls nicht den Aufbau des Axialrades der eingangs genannten Art hat Bei diesem bekannten Axialrad sind die Schaufelvorderenden ebene Flächen, weisen also überhaupt keine Wölbung auf. Das hintere Ende und der benachbarte Teil des Umfangsrandes jeder Schaufel sind radial nach hinten gebogen, wobei das hintere Ende eine radiale Ausdehnung in der Größenordnung von einem Viertel der radialen Ausdehnung der Schaufel hat. Es handelt sich also um eine Schaufel, die bezüglich eines etwa in Schaufelmitte gelegenen Radius auf der einen Seite einen ebenen Teil und auf der anderen Seite einen zurückgebogenen Teil mit einer weit ausladenden Spitze aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Axialrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß auch ohne Gehäusering eine geringe Geräuschentwicklung erzielt wird, und zwar bei sparsamem Materialeinsatz und geringer Größe.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem Axialrad nach der Erfindung leisten die Schaufeln den Hauptanteil der von ihnen verlangten Arbeiten in ihrem Zwischenbereich, d. h. in einem gewissen Abstand von den Schaufelspitzenteilen. Konfigurationen der Spitzenteile der Schaufeln, die eine große Arbeitsleistung ergäben, würden aufgrund von Wirbeln unerwünschte Geräuschpegel erzeugen, wogegen die diesen Spitzenteilen in Richtung zu dem Schaufelfuß benachbarten Zwischenbereiche durch eine beträchtliche Geschwindigkeit begünstigt und somit in der Lage sind, eine relativ große Arbeit zu leisten. Bei niedrigeren Druckverhältnissen, insbesondere im Bereich von 1,03 und darunter, ist es mit dem Axialrad nach der Erfindung möglich, die Leistungsmerkmale herkömmlicher Axialräder zu erzielen und trotzdem die Lärmerzeugung des Axialrades zu vermindern. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß jede Schaufel die Hauptarbeit in den Zwischenbereichen derselben leistet, wo eine beträchtliche Schaufel wölbung vorhanden ist. Im äußeren Bereich der Schaufel, wo die Geräuscherzeugung überwiegt, erfolgt deshalb erfindungsgemäß eine schnelle Verringerung der Schaufelwölbung, und zwar etwa 30% der gesamten Wölbungsabnahme über den äußeren 20% der Schaufelhöhe. Begleitet von der schnellen Verringerung der Wölbung ist die schnelle Vergrößerung der Sehnenlänge, wobei erfindungsgemäß im wesentlichen die gesamte Sehnenlängenzunah-

me über den äußeren 40% der Schaufelhöhe erfolgt Bei dem Axialrad nach der Erfindung werden 75% der Leistung im Bereich von 30 bis 80% der Schiufelhöhe umgesetzt, wodurch sich die gewünschte geringe Geräuschentwicklung erzielen läßt

Vorteilhafte Ausgestaltungen dei Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorderansicht eines Axialrades nach der Erfindung für einen Lüfter,

F i g. 2 eine Hinteransicht des Axialrades von F i g. 1, F! g. 3 eine Draufsicht auf das Axialrad,

Fig.4 eine Ansicht des Spitzenteils einer Schaufel des Axialrades insgesamt auf der Linie 4-4 in Fig. 1,

Fig.5 einen Schnitt durch einen Zwischenteil der Schaufel insgesamt auf der Linie 5-5 in F i r,. 1,

F i g. 6 einen Schnitt durch den Fußteil der Schaufel insgesamt auf der Linie 6-6 in F i g. 1, und

F i g. 7 ein Diagramm, in weichern die Schaufelhöhe über der Schaufelwölbung aufgetragen ist

Ein in den Zeichnungen dargestelltes Axialrad weist eine Nabe 10 und mehrere gleiche, zirkumaxial angeordnete Luftförderschaufeln 14 auf. Sowohl die Nabe 10 als auch die Haube (nicht dargestellt) können in der Konstruktion variieren. Das dargestellte Axialrad ist ein Spritzteil aus thermoplastischem Kunststoff.

Die Nabe 10 des Axialrades hat eine zentrale öffnung 12 zur Befestigung an einer Abtriebswelle eines tlektromotors oder dgl. und trägt die radial nach außen vorstehenden Luftförderschaufeln 14. Fünf Luftförderschaufeln 14 sind dargestellt Die Schaufeln 14 sind mit der Nabe an radial innen liegenden Fußteilen 16 integral verbunden. Die Schaufelkonfiguration kann zwar ebenfalls variieren, jedoch innerhalb der unten ausführlich dargelegten Grenzen.

Bei dem hier beschriebenen Axialrad stellt die Schaufclkonfiguration einen vernünftigen Kompromiß zwischen Konstruktionsmerkmalen dar, zu welchen eine geringe Geräuschentwicklung, eine geringe Größe und ein wirtschaftlicher Materialeinsatz bei gegebenen Leistungserfordernissen gehören. Es wird ein relativ anspruchsvolles Konstruktionsverfahren angewandt, bei welchem mittels Computer gegebene Arbeitsscheiben berechnet und den verschiedenen »Höhen« der Schaufel 14 in Richtung ihrer Spannweite zugeordnet werden, damit die Schaufel in der Lage ist, die gesamte von ihr geforderte Arbeit zu leisten. Das bedeutet, daß die Schaufeln 14 in bezug auf Schaufelscheiben konstruiert werden, die sich über die Schaufel erstrecken und die um veränderliche radiale Abstände vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze, d. h. in Richtung der Schaufelhöhe gegeneinander versetzt sind. Insbesondere werden die Schaufeln so aufgebaut, daß ein Hauptteil der verlangten Arbeit in den Zwischenteilen der Schaufel oder im Bereich der »Scheiben« geleistet wird, die einen gewissen Abstand von den Schaufelendteilen haben. Die Schaufelfußteile sind zum Leisten einer großen Arbeit ungeeignet, da die Geschwindigkeit in diesen Bereichen relativ niedrig sind. Außerdem führen an den Schaufelspitzenteilen Konfigurationen, die für eine große Arbeitsleistung sorgen, zu unerwünschten Lärmpegeln aufgrund einer Wirbelwechselwirkung. Dagegen werden die Zwischenschaufelteile durch eine beträchtliche Geschwindigkeit begünstigt und sind somit in der Lage, eine relativ große Arbeit zu leisten. Bei einem typischen Schaufelaufbau ist der Zwischenschaufelteil. z. B. von 30% bis 80% der Schaufelhöhe, dafür ausgelegt, ungefähr 75% der geforderten Gesamtarbeit der Schaufel zu leisten.

Die Behandlung der Spitzenteile der Schaufeln 14 ist bei dem Analysis- und Konstruktionsverfahren vielleicht von größter Bedeutung. Wie erwähnt hätte das Leisten einer großen Arbeit an diesen Schaufelteilen und den sich ergebenden Schaufelspitzenkonfigurationen eine unerwünschte Lärmerzeugung zur Folge, lnsbesondere in dem Fall eines ummantelten Axialrades ist in dem Bereich der Schaufelspitze ein komplexes Wirbelsystem vorhanden und verursacht einen großen Teil des durch die Schaufel erzeugten hochfrequenten Lärms. Demgemäß sind die Spitzenteile der Schaufeln 14, ungefähr die äußersten 20% der Schaufelhöhe, so ausgelegt daß sie einen bescheidenen Anteil der Gesamtarbeit der Schaufeln liefern. In diesem Bereich der Schaufel 14 sind Überlegungen hinsichtlich der Lärmerzeugung, der Größe und der Materialeinsparung ausschlaggebend. Die Schaufelwölbung wird jenseits des Schaufelmittelpunktes und insbesondere zur Spitze der Schaufeln hin scharf verringert, und die Schaufelsehne wird in einem gleichen Bereich scharf vergrößert. Auf diese Weise wird die Erzeugung hochfrequenten Lärms

scharf verringert Überlegungen hinsichtlich der Einsparung an Größe und Material werden betrachtet und trotzdem kompensiert die Sehnenvergrößerung wenigstens zum Teil die Wölbungsverringerung und es wird eine bescheidene aber nennenswerte Arbeitsleistung erreicht.

Wie ersichtlich werden wird führt eine wesentliche Änderung in der Wölbung und der Sehne vom Fuß 16 zur Spitze der Schaufel 14 zu der hier beschriebenen Schaufelkonfiguration, !n den meisten Fällen wird die Schaufeisteigung, vom Fuß zur Spitze gesehen, ebenfalls geändert, und bei dem dargestellten Axialrad ändern sich vom Fuß 16 zur Spitze hin alle drei Parameter. Insbesondere nimmt die Schaufelwölbung vom Fuß 16 zur Spitze bei den Schaufeln 14 ab, die Schaufelsehne nimmt vom Fuß zur Spitze zu und die Schaufelsteigung nimmt ab, und zwar sämtlich innerhalb von ihm folgenden angegebenen Grenzen.

Die Änderung der Schaufelwölbung ist für den Erfolg der hier beschriebenen Konstruktion vielleicht am wichtigsten und sollte innerhalb der folgenden Grenzen liegen, wobei sämtliche Werte für die mittlere Schaufelwölbung angegeben sind. Die Fußwölbung CA_r sollte in dem Bereich von 0,15 bis 0,1 und die Spitzenwölbung CA, in dem Bereich von 0,020 bis 0,040 liegen. Bei einem maximalen Verhältnis von Fuß- zu Spitzenwölbung von 7,5 zu 1 und einem minimalen Verhältnis von Fuß- zu Spitzenwölbung von 2,5 zu 1. Die spezifischen Werte für die dargestellte Schaufelkonstruktion sind 0,1203 für die Fußwölbung CA_n F i g. 6, 0,023 für die Spitzenwölbung CA,, Fig.4, und ein Verhältnis von 5,23 zu 1. Die Wölbung CA, in einem Zwischenschaufelteil in ungefähr 80% der Schaufelhöhe, F i g. 5, beträgt 0,05.

Weiter ist gemäß F i g. 7 zu beobachten, daß die Wölbung in einem ersten Teil jedei Schaufel 14 allmählich abnimmt und daß eine scharfe Änderung der Wölbung in einem zweiten Schaufelteil jenseits des Schaufelmittelpunktes auftritt Der zweite Schaufelteil beginnt ungefähr bei 70% bis 90% der Schaufelhöhe und insbesondere bei ungefähr 80% der Schaufelhöhe, gemessen vom Fuß 16 zur Spitze. In dem Fall der dargestellten Schaufeln 14 treten ungefähr 35% der Gesamtwölbungsänderung in den letzten oder äußersten 20% der Schaufelhöhe auf, F i e. 7.

Weiter ist die Zunahme der Schaufelsehne vom Fuß zur Spitze durch ein Spitze : Fußverhältnis festgelegt, das 2,5 zu 1 nicht überschreiten sollte. Die untere Grenze des Verhältnisses von Spitze zu Fuß beträgt 1,3 zu 1 und das tatsächliche Verhältnis für die Schaufeln 14 fällt in dem gewünschten Bereich auf einen Wert von 1,7 zu 1, wobei die Schaufelspitzensehne CH, 66 mm, die Fußsehne CHr 38 mm und die Zwischensehne CH„ F i g. 5, 55,9 mm mißt. Der vorgenannte zweite oder radial außen angeordnete Schaufelteil ist außerdem durch eine scharfe Zunahme der Sehne gekennzeichnet, und wenigstens 80% der Gesamtprofilsehnenänderung treten in diesem Schaufelteil auf. Bei den Schaufeln 14 ist zu beobachten, daß im wesentlichen die gesamte Schaufelsehnenänderung im Bereich der äußersten 50% der Schaufelhöhe und insbesondere im Bereich der äußersten 30% bis 40% der Schaufelhöhe auftritt

Die spezielle Grundrißform der Schaufeln 14 in dem äußersten Bereich mit maximaler Sehne kann sich zwar ändern, vorzugsweise wird jedoch ein allmählich gekrümmter Rand, wie an den hinteren Rändern 22 der Schaufeln 14, bevorzugt. Andere Randkonfigurationen sind jedoch ebenfalls akzeptabel, wie an den vorderen Rändern 24 der Schaufeln 14, wo eine relativ scharfe oder spitze Konfiguration vorgesehen ist Das dargestellte Axialrad gehört der ummantelten Bauart an, und die scharfen vorderen Ränder 24 werden durch die Ummantelungskonfiguration bestimmt, wobei die Einlaßseite der Ummantelung einen etwas kleineren Durchmesser als die Auslaßseite hat und die Schaufeln 14 daran angepaßt sind. Das bedeutet, daß die Schaufelhöhe oder radiale Abmessung der Schaufel 14 an dem vorderen Rand 24 der Schaufel 14 etwas geringer ist, wodurch ein ansonsten allmählich gewölbter Rand etwas angeschärft wird.

Die Schaufelsteigung kann sich ebenfalls vom Fuß zur Spitze ändern, wie oben erwähnt, und als Grenzen für diese Änderung wird ein Fußsteigungswinkel λ_γ zwischen 30° und 70° und ein Spitzensteigungswinkel x, zwischen 10° und 20° angesehen. Steigungsverhältnisse, die hier als optimale Grenzen angesehen werden, sind eine maximale Änderung von 7 :1 vom Fuß zur Spitze und ein minimales Verhältnis von 3 zu 2. Der Fußsteigungswinkel <*r für die Schaufeln 14 beträgt etwa 46°, F i g. 6, der Spitzensteigungswinkel x, etwa 27° und der Zwischensteigungswinkel λ, etwa 29°. Das tatsächliche Verhältnis von Fußsteigung zu Spitzensteigung beträgt für die Schaufeln 14 somit 1,7 zu 1.

Die Ergebnisse, die mit Axialrädern der hier beschriebenen Art erzielt worden sind, umfassen die Minimierung der Größe und der Lärmerzeugung und eine beträchtliche Materialeinsparung für gegebene geforderte Schaufelleistungen. Insbesondere im Hinblick auf die Lärmerzeugung ist eine Verbesserung von 5 bis 6 dB auf der USA-Standards-Institute - oder OSHA-»A«-Skala mit einem Axialrad, das Schaufeln 14 der oben beschriebenen Konstruktion hatte, in Vergleichstests mit einem Axialrad erzielt worden, das herkömmliche Schaufeln mit im wesentlichen konstanten Wölbungs-, Sehnen- und Steigungsdaten hatte. Eine Verbesserung von soleher Größe hinsichtlich der Lärmerzeugung wird in der Lüfter- und Gebläseindustrie als hervorragend angesehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Axiairad, insbesondere für Lüfter mit einem niedrigen Druckverhältnis im Bereich von 1,03 und darunter, bei dem vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze die Wölbung im Wert abnimmt und die Sehnenlänge im Wert zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelwölbung in einem ersten Bereich der vom Fuß (16) zur Spitze reichenden Schaufelhöhe wenig abnimmt und in einem zweiten, außerhalb der Mitte der Schaufelhöhe gelegenen zweiten Bereich scharf abnimmt, derart, daß etwa 30% der gesamten Wölbungsabnahme über den äußeren 20% der Schaufelhöhe und im wesentlichen die gesamte Sehnenlängenzunahme über den äußeren 40% der Schaufelhöhe erfolgt

2. Axialrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wölbung am Schaufelfuß (16) zur Wölbung an der Schaufelspitze in einem Bereich von 2,5 zu 1 bis 7,5 zu 1 liegt.

3. Axialrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Steigung an dem Schaufelfußteil (16) zur Steigung an dem Schaufelspitzenteil in einem Bereich von 1,7 zu 1 bis 7 zu 1 Hegt.

4. Axiairad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Sehnenlänge an der Schaufelspitze zur Sehnenlänge am Schaufelfuß (16) in einem Bereich von 1,3 zu 1 bis 2,5 zu 1 liegt.

5. Axialrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Uie Sehnenlänge um 60 bis 80% über der Schaufelhöhe vom Fuß (16) zur Spitze zunimmt.