DE2940773C2

DE2940773C2 - Hochleistungs-Radialventilator

Info

Publication number: DE2940773C2
Application number: DE19792940773
Authority: DE
Inventors: Franz Ing.(grad.) 2330 Eckernförde Kozel; Hugo Dr.-Ing. 2390 Flensburg Leist; Hans-Werner Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Roth; Rudolf Dr.-Ing. 7514 Eggenstein-Leopoldshafen Schilling; Jürgen Prof. Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Zierep
Original assignee: Punker GmbH
Current assignee: Punker GmbH
Priority date: 1979-10-08
Filing date: 1979-10-08
Publication date: 1986-08-14
Also published as: GB2063365B; SE448018C; SE448018B; DK425880A; SE8006990L; FR2467309A1; FR2467309B1; DK148008B; DK148008C; DE2940773A1; GB2063365A

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungs-Radialventilator, der ein Gehäuse mit einer seitlichen Einströmdüse und ein entsprechendes Laufrad besitzt, das nicht-profilierte Schaufeln, z. B. Kreisbogen-Schaufeln aufweist und das durch eine kreisbogenförmig, parabolisch oder hyperbolisch gekrümmte Deckscheibe abgedeckt ist, deren Einlaßbereich mit dem kleinsten Durchmesser (d₀) das zugewandte Ende der Einströmdüse überlappt und nach außen hin unter Freilassung eines Ringspalts mit der Spaltweite »5« überdeckt.

Bereits aus »Sonderdruck aus Wärmetechnik«, Heft 1, 1962, Seite 1—4 ist eine die obigen Merkmale aufweisende Gestaltung des Radeinlaufes bei Radialventilatoren bekannt. Demnach tritt im Betrieb des Radialventilators durch den zwischen dem Einlaßbereich der Deckscheibe und dem zugewandten Ende der Einströmdüse angeordneten Ringspalt eine Luftströmung hindurch, die eine Beschleunigung der Grenzschichtströmung im Nahbereich der Deckscheibe hervorruft. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Konturen für mögliche Radeinlaufformen angegeben und insbesondere wird empfohlen, die Deckscheibenkontur mit einer kreisförmigen oder hyperbolischen Krümmung zu versehen. Um dabei die Stoßverluste so gering wie möglich zu halten, wird in diesem Zusammenhang empfohlen, die Krümmung der Deckscheibenkontur relativ stark auszubilden und eine nur geringe Spaltweite zu wählen. Ebenso sind auch aus der DE-AS 12 76 853 und der DE-OS 14 03 083 Radialveruilatoren der oben genannten Gattung bekannt, die sich auf gleiche Art und Weise das Phänomen der Grenzschichtbeschleunigung zu Nutze machen. Sämtliche aus dem genannten Stand der Technik bekannten Ausführungsformen von Radialventilatoren weisen jedoch den Nachteil auf, daß die durch sie realisierbare Lieferzahl φ für viele Anwendungsbereiche im Hochleistungsbereich zu gering ist und nur unter gleichzeitigem starkem Abfall der Druckziffer φ und des Wirkungsgrades η in Grenzen erhöht werden kann. Die Ursache für die hieraus relativ niedrige Leistungsdichte der bekannten Radialventilatoren liegt insbesondere in der bereits erwähnten Erhöhung der Stoßverluste bei vergrößertem Durchsatz und in den Umlenkverlusten im Bereich der Deckscheibe des Laufrades.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, den oben genannten Nachteilen abzuhelfen und einen Hochleistungs-Radialventilator zu schaffen, bei dem in der Schaufeleintrittskante im Bereich der Umlenkströmung eine Verringerung der Stoßverluste und an der Deckscheibe eine Verringerung der Umlenkverluste erzielt werden kann.

Die obige Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die den Verlauf der Deckscheibe bestimmende Kurve mit einem Radius oder mit mehreren Radien (R) beschrieben ist, die sich zum kleinsten Durchmesser (do) des Einlaßbereichs der Deckscheibe (Einlaufdurchmesser) wie 0,21—0,30 zu 1 verhalten, daß sich die Spaltweite (S) zum Einlaufdurchmesser (do) wie 0,010—0,020 zu 1 verhält und daß der Einlaufdurchmesser (do) sich zum Schaufelinnendurchmesser (d\) wie 0,97—1,06 zu 1 verhält. Die Krümmung der Deckscheibe fällt also im Vergleich zum Stand der Technik relativ schwach aus und wird kombiniert mit einer relativ großen Spaltweite, was in Verbindung mit der besonderen Ausgestaltung des Durchmesserverhältnisses do/d\ zu einer Verringerung der Stoßverluste an den Schaufeleintrittskanten im Bereich der umgelenkten Strömung führt. Auch haben sich die Umlenkverluste an der Deckscheibe verringert. Hierdurch ist es möglich, den erfindungsgemäßen Radialventilator mit einer hohen Lieferzahl φ auszulegen, ohne hierbei Zugeständnisse bezüglich des Wirkungsgrades eingehen zu müssen. Zwar ist bereits durch Eck, Ventilatoren, 5. Auflage, Seite 88 und Seite 138 bekanntgeworden, daß durch eine Vergrößerung der Spaltweite Einfluß auf das Strömungsverhalten von Radialventilatoren genommen werden kann. Hier wurde jedoch davon ausgegangen, daß eine Vergrößerung der Spaltweite eine Verringerung des volumetrischen Wirkungsgrades nach sich ziehen würde; dies ist jedoch tatsächlich beim erfindungsgemäßen Radialventilator nicht der Fall, vielmehr ergab die Vergrößerung der Spaltweite eine weitere Verringerung der Verluste und eine Verbesserung des Füllurigsgrades bei etwa gleichbleibendem volumetrischem Wirkungsgrad. Auch konnten durch die Verringerung des Schaufel-Innendurchmcssers des Laufrades im Gegensatz zur landläufigen Meinung die Stoßverluste erheblich reduziert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hochleistungs-Rüdialventilators sind in den Unter-

ansprOchen aufgeführt

Mit der Weiterbildung nach Anspruch 2 wird der Grad der Umlenkung des Strömungsmediums begrenzt, so daß Ablösungserscheinungen reduziert oder gar vermieden werden.

Die Weiterbildungen gemäß den Ansprüchen 3 und 4 beschreiben bevorzugte Bemessungsw8rte für die Radien- und Durchmesserverhältnisse.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Darin zeigt

F i g. 1 die C_r Verteilung über der äußeren Schaufelbreite in Abhängigkeit von der Spaltweite bei einer erfindungsgemäßen Anordnung in schematischer Darstellung,

F i g. 2 eine erste Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung in einer Seitenansicht,

F i g. 3 eine Variante des erfindungsgemäßen Gegenstandes wiederum in der Darstellungsweise gemäß F i g. 2 und

F i g. 4 die mit der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erzielte Verbesserung in dimensionsloser Darstellung.

Bei dem erfindungsgemäßen Hochleistungs-Radialventilator handelt es sich, wie z. B. aus F i g. 2 hervorgeht, um einen Ventilator, der ein Gehäuse 1 mit einer seitlichen Einströmdüse 11 und ein Laufrad 3 mit Schaufeln 4 besitzt. Die Schaufeln können als profilierte oder auch als nicht profilierte Schaufeln ausgebildet sein, in diesem letzteren Falle können sie kreisbogenförmig gekrümmt sein, sie können jedoch auch als Schaufeln mit parabelförmiger Krümmung oder auch als gerarfe Schaufeln ausgebildet sein. Das Laufrad 3 ist an der der Einströmdüse 11 zugewandten Seite durch eine von oben nach unten und außen verlaufende Deckscheibe 10 abgedeckt, deren Einlaßbereich mit dem kleinsten Durchmesser »do« das zugewandte Ende der Einströmdüse 11 überlappt und nach außen hin unter Freilassung eines Ringspaltes mit der Spaltweite »S« überdeckt.

In F i g. 2 ist die den Verlauf der Deckscheibe 10 bestimmende, einen kreisbogenförmigen Verlauf besitzende Kurve mit einem Krümmungsradius beschrieben, der sich zum kleinsten Durchmesser »db« des Einlaßbereichs der Deckscheibe (Einlaufdurchmesser) wie 0,225 bis 0,280 zu 1 verhält, während dieser kleinste Durchmesser des Einlaßbereichs der Deckscheibe (Einlaufdurchmesser) sich zur Spaltweite »S« wie 1 zu 0,01 bis 0,02 verhält. Die Kurve der Deckscheibe kann wie bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kreisbogenförmig sein, sie kann jedoch auch parabolisch oder hyperbolisch ausgebildet sein, sie kann schließlich auch mit einem Radius oder aus mehreren Teilen mit mehreren Radien beschrieben sein, wobei allgemein das Verhältnis zwischen dem Radius »/?« und dem Einlaufdurchmesser »c/o« sich wie 0,21 bis 0,30 zu 1 verhält Der Einlaufdurchmesser »do« verhält sich seinerseits zum Schaufelinnendurchmesser »c/i«, d. h. zum Durchmesser des um die Laufradachse herum beschriebenen, die Schaufelinnenkanten enthaltenden Kreises wie 0,97 bis 1,06 zu !,vorzugsweise wie 1,01 bis 1,06 zu 1. Der Schaufelinnendurchmesser »c/i« verhält sich zum Austrittsdurchmesser »c/2« wie 0,54 bis 0,80 zu 1, bei der Variante nach Fig.2 speziell wie 0,77 zu 1, der Austrittsdurchmesser »c/2« verhält sich zur Schaufelbreite »&« an der Austrittskante der Schaufel 4 bei der Variante nach F i g. 2 speziell wie 1 zu 0,36, der insgesamt günstige Bereich liegt hier zwischen 1 und 0,25 bis 0,40, vorzugsweise zwischen 1 und 0,27 bis 0,38. Hierbei verhält sich, wie aus Fig.2 zu erkennen ist, der in Richtung der Laufradachse gemäß Pfeil 12 gemessene Abstand »bo« zwischen der Nabenscheibe 13 und der durch den Krümmungsmittelpunkt der Deckscheibe 10 bei 14 hindurchgehenden Ebene zum kleinsten Durchmesser »c/o« des Einlaßbereichs der Deckscheibe (Einlaufdurchmesser) wie 0,52 bis 0,70 zu 1.

In Fig.4 der Zeichnung ist die mit der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erzielte Verbesserung hinsichtlich des Verlaufs von ψ, und η, über φ dimensionslos dargestellt

Bei der Variante nach F i g. 3 ist vorgesehen, daß die zur Ebene der Nabenscheibe 15 parallele Ebene 16 die durch den Krümmungsmittelpunkt 17 und durch das äußerste Ende 18 der Deckscheibe hindurchgeht, mit dem vom Krümmungsmittelpunkt 17 ausgehenden und zu dem deckscheibenseitig äußersten Endpunkt 19 der Schaufel 20 (Schaufelbeginn) geführten Radius einen Winkel ρ von 10-30° bildet.

Bei der Variante nach F i g. 3 verhält sich bei einem Winkel / von 12—16° zwischen der Tangente 22 zur Deckscheibe 23 an deren auslaßseitigem Rand und der Ebene der Nabenscheibe 15 oder einer hierzu parallelen Ebene der Schaufelinnendurchmesser »d\« zum Austrittsdurchmesser »c/2« wie 0,68 bis 0,72 zu 1, der Austrittsdurchmesser »c/2« verhält sich seinerseits zur Schaufelbreite »k« an der Austrittskante der Schaufel wiel zu 0,20—0,35.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung, das in der Zeichnung nicht weiter dargestellt ist, verhält sich bei einem zwischen 12° und 16° betragenden Winkel y zwischen der Tangente zur Abdeckscheibe an deren auslaßseitigem Rand und der Ebene der Nabenscheibe der Schaufelinnendurchmesser »d\« zum Austrittsdurchmesser »c/2« wie 0,54 bis 0,57 zu 1, während der Schaufelaustrittsdurchmesser »c/2« sich zur Schaufelbreite »tn« an der Austrittskante der Schaufel wie 1 zu 0,12 bis 0,25 verhält.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß sämtliche Maßnahmen der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auch für meridianbeschleunigte oder halbaxiale Ventilatoren bzw. Gebläse verwendet werden können.

Es ist zu erkennen, daß durch die oben dargestellte Optimierung von Einströmdüse, Spaltgeometrie und Deckscheiben-Krümmung eine möglichst gleichmäßig verteilte und möglichst große radiale Geschwindigkeitskomponente Cr entlang den Schaufeleintrittskanten erzielt wird, was letztlich zu einer besseren Füllung der Radbreite und somit zu einer hohen Leistungsdichte führt. Bei stark gekrümmter Deckscheibe und großen Volumenzahlen würde die Strömung entlang der Deckscheibenkontur abreißen, weswegen eine Verschiebung des Bestpunktes φ_ορι zu größeren φ-Werten unmöglich wäre, selbst bei entsprechender Vergröberung des Schaufeleintrittswinkels ß\. Bei schwach gekrümmten Deckscheiben und engem Spalt könnte zwar die Strömung entlang der Deckscheibe zum Anliegen gebracht werden, jedoch ist die Q- Verteilung und auch die Größe dieser radialen Geschwindigkeitskomponente immer noch stark ungleichförmig. Erst durch die erfindungsgemäß gefundene schwach gekrümmte Deckscheibe in Verbindung mit einem größeren Spalt, der eine energiereichere Strömung mit sich bringt, erreicht man ein Ansteigen sowohl der Druckzahl φ, als auch des Wirkungsgrades η, und eine Verbesserung der C_r-Verteilung. Große Spaltweiten bewirken nicht nur geringe Umlenkverluste an der Raddeckscheibe, sondern darüber hinaus geringere Stoßverluste an den Schaufelsaugseiten

nahe der Deckscheibe und damit eine gleichförmigere CrVerteilung. Eine hohe und optimale Energieumsetzung in Lauf rädern großer Leistungsdichte wird nur durch Raddeckscheiben geringer Krümmung zusammen mit großem Spalt ermöglicht. Dies ist in F i g. 1 dargestellt, in der die C_r Verteilung bei zwei Spaltweiten Si und S2 über die Radbreite bei einem bestimmten »c/i« dargestellt ist.

Das Laufrad besitzt bei den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen acht bis achtzehn Schaufein. Die genaue Schaufelzahl hängt hierbei natürlich von den jeweiligen Schaufeleintritts- und -austrittswinkeln ab, z. B. kann man bei einem Schaufeleintrittswinkel ß\ von 15° und einem Schaufelaustrittswinkel/?2 von 36° eine Schaufelzahl von 12 als optimale Größe wähien, bei einem Schaufeleintrittswinkel ß\ von 18° und einem Schaufelaustrittswinkel ßi von 46° kann man z. B. eine Schaufelzahl von 14 bis 15 als optimale Größe ansehen.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Hochleistungs-Radialventilator, der ein Gehäuse mit einer seitlichen Einströmdüse und ein entsprechendes Laufrad besitzt, das nicht-profilierte Schaufeln, z. B. Kreisbogen-Schaufeln aufweist und das durch eine kreisbogenförmig, parabolisch oder hyperbolisch gekrümmte Deckscheibe abgedeckt ist, deren Einlaßbereich mit dem kleinsten Durchmesser (do) das zugewandte Ende der Einströmdüse überlappt und nach außen hin unter Freilassung eines Ringspaltes mit der Spaltweite »S< < überdeckt, d a durch gekennzeichnet, daß die den Verlauf der Deckscheibe (10, 23) bestimmende Kurve mit einem Radius oder mit mehreren Radien (R) beschrieben ist, die sich zum kleinsten Durchmesser (do) des Einlaßbereichs der Deckscheibe (10, 23) (Einlaufdurchmesser) wie 0,21—0,30 zu 1 verhalten, daß sich die Spaltweite (S) zum Einlaufdurchmesser (do) wie 0,010-0,020 zu 1 verhält und daß der Einlaufdurchmesser (do) sich zum Schaufelinnendurchmesser (d\) wie 0,97 — 1,06 zu 1 verhält.

2. Radialventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Nabenscheibenebene parallele, durch den Krümmungsmittelpunkt (17) der Deckscheibe (23) hindurchgehende Ebene mit dem von diesem Krümmungsmittelpunkt (17) ausgehenden und zu dem deckscheibenseitig äußersten Endpunkt (19) der Schaufel (20) (Schaufelbeginn) geführten Radius einen Winkel (p) von 10—30° bildet.

3. Radialventilator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufdurchmesser (do) sich zum Schaufel-Innendurchmesser (d\) wie 1,01-1,06 zul verhält.

4. Radialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verlauf der Deckscheibe (10, 23) bestimmende Kurve mit einem Radius oder mit mehreren Radien (R) beschrieben ist, die sich zum kleinsten Durchmesser (do) des Einlaßbereichs der Deckscheibe (10, 23) (Einlaufdurchmesser) wie 0,225—0,280 zu 1 verhalten.