DE4404262A1 - Schutzgittervorrichtung für Ventilatoren, insbesondere von Luftkühlern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzgittervorrichtung für Ventilatoren, insbesondere von Luftkühlern, bestehend aus einem einen Lufteinlaß und einen Luftauslaß aufweisenden Gehäuse mit einem von Kühlmittelrohren durchzogenen Lamellenpaket und einem von einem Elektromotor angetriebenen Ventilator im Bereich des Luftauslasses, dessen Lauf­ rad ein Schutzgitter zugeordnet ist.

Schutzgittervorrichtungen dieser Art sind beispielsweise aus dem DE-GM 88 16 827 be­ kannt und weisen dort eine Stegmaschenstruktur mit mehreckigen oder kreisförmigen Einzelöffnungen auf, mit denen beabsichtigt wird, den aus dem Schutzgitter austretenden Luftstrom gleichzurichten, insbesondere parallel zur Drehachse des Ventilators auszu­ richten. Daher wird diese bekannte Schutzgittervorrichtung auch als Luftleitgitter apo­ strophiert.

Tatsächlich wurde jedoch beobachtet, daß mit einem derartigen maschenartigen Gitter keine, jedenfalls keine ausgeprägte Gleichrichtung des Luftstromes erzielbar ist, sondern hinter dem Gitter ein mehr oder weniger turbulenter Strömungszustand herrscht, der nicht nur zu einem erheblichen Schalldruck führt, sondern auch stark drallbehaftet ist, weshalb der Wirkungsgrad des Ventilators zu wünschen übrig läßt und die Wurfweite der aus dem Gitter austretenden Strömung relativ klein ist. Die obigen Nachteile werden auch nicht durch die in Verbindung mit einem Ventilator verwendete Austrittsgitterkon­ struktion beseitigt, die in dem DE-GM 90 02 321 beschrieben ist, bei der das Gitter mit dem Haltering Ihr den Elektromotor des Ventilators eine bauliche Einheit bildet, weil das Gitter, das auch in diesem Fall als Strömungsgleichrichter bezeichnet wird, ohne tatsäch­ lich eine drallfreie, parallel gerichtete Strömung hinter dem Gitter zu ermöglichen, von einem den Strömungsquerschnitt erheblich einengenden Aussteifungsring begrenzt wird, der den Antriebsmotor haltert.

Schließlich ist der aus dem EP 477 612 A2 bekannte Luftkühler ebenfalls mit einem so­ genannten Luftleitgitter ausgestattet, durch das jedoch, wie bei den o.g. Konstruktionen tatsächlich keine Parallelisierung des aus dem Gitter austretenden Luftstroms im Sinne einer drallfreien und daher verlustarmen Strömung erreicht wird, weshalb dieses Gitter auch mit verschwenkbaren Gitterteilen versehen ist, die eine Ablenkung des ihnen zuge­ ordneten auslaßseitigen Strömungsanteils zur Restströmung hin bewirken sollen, um eine gezielt gerichtete Gesamtströmung zu erreichen, durch die trotz der Auslenkung des Git­ terteils eine Rückströmung um das Gehäuse herum zur Lufteintrittsseite verhindert wer­ den soll.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die Schutzgittervorrichtung der genannten Art so weiterzubilden, daß die o.g. Nachteile vermieden werden und nicht nur eine we­ sentliche Verbesserung der Wurfweite, sondern auch eine Bündelung des Luftstrahls und damit eine Zunahme des statischen Drucks hinter dem Ventilator erreicht werden, die zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung einer weitge­ hend drallfreien Austrittsluftströmung das Schutzgitter als Strömungsleitapparat ausge­ bildet ist, der abstromseitig des Ventilatorlaufrades in geringem Abstand von diesem einen mit dem Ventilatorlaufrad axial fluchtenden, stationären Leitschaufelkranz auf­ weist, dessen Schaufeln so gekrümmt sind, daß sie die aus dem Laufrad austretenden Luftstrahlen bündeln und daß auf der Eintrittsseite des Leitschaufelkranzes oder seiner Austrittsseite ein den Luftdurchgang durch den Leitschaufelkranz nicht behindernder Be­ rührungsschutz angeordnet ist.

Durch diese Konstruktion wird erreicht, daß das aus Sicherheitsgründen vorgeschriebene Schutzgitter von der Strömungsausrichtungsfunktion befreit wird, da diese Aufgabe auf­ grund der maschen- oder wabenähnlichen Bauweise bisher nur mangelhaft erfüllt wurde. Diese Aufgabe wird nun auf einen in erster Linie der Strömungsausrichtung dienenden Strömungsleitapparat übertragen, der allerdings auch noch zusätzlich die Funktion eines Berührungsschutzes erfüllt, da er hinter dem Laufrad des Ventilators liegt, so daß dessen Rotor versehentlich nicht berührt werden kann.

Diese Trennung der Funktion von Berührungsschutz und Strömungsleitung ermöglicht eine Ausbildung des stationären Leitschaufelkranzes derart, daß die gewünschte Paralleli­ sierung und Drallfreiheit der austretenden Luftströmung mit Sicherheit erreicht wird.

Der Berührungsschutz als solcher, der entweder zwischen dem Ventilatorlaufrad und dem Leitschaufelkranz oder auf der Austrittsseite des Leitschaufelkranzes angeordnet werden kann, läßt sich zweckmäßigerweise in Form eines groben Maschendrahtgewebes ausbilden, wobei die Maschenweite so bemessen ist, daß eine Betriebsperson nicht hin­ durchgreifen kann.

Besonders bewährt hat sich eine Ausbildung der Erfindung, bei der die Krümmung der Leitschaufeln des Leitschaufelkranzes der Krümmung der Laufschaufeln des Laufrads des Ventilators so angepaßt ist, daß der Vektor der Austrittsgeschwindigkeit des Laufra­ des tangential in den Leitschaufelkranz eintritt, weil dadurch die gewünschte Drallfreiheit der austretenden Strömung in besonderem Maße gewährleistet wird.

In diesem Zusammenhang lassen sich Leitschaufeln verwenden, die von ihrer Vorderkan­ te, an der der Einfallstrahl tangential zur Schaufeloberfläche in den Leitschaufelkranz ein­ tritt, bis zu ihrer Hinterkante, an der der Ausfallstrahl den Leitschaufelkranz tangential zur Schaufeloberfläche verläßt, kontinuierlich flächig gekrümmt sind, wobei sich als be­ sonders vorteilhaft erwiesen hat, die Krümmung der Leitschaufeln einem Kreisbogen ent­ sprechen zu lassen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht des Ventilatorlaufrades und des diesem angeordneten Leitschaufelkranzes einer erfindungsgemäßen Schutzgittervor­ richtung mit in Form von Strichen angedeuteten Austrittsluftstrahlen,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht des Leitschaufelkranzes,

Fig. 3 eine geometrische Darstellung der Leitschaufelkonfiguration, wie sie im Leit­ schaufelkranz von Fig. 2 Verwendung findet, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Messung der Strömungs­ richtung der aus dem Laufrad austretenden Luft.

Das Laufrad 2 des im einzelnen nicht dargestellten Ventilators eines in Fig. 1 schematisch angedeuteten Luftkühlers 15 sitzt mit seiner Nabe 1 auf der Drehachse 5 eines das Lauf­ rad antreibenden Elektromotors 6. Abstromseitig des Laufrades ist ein Strömungsleitap­ parat angeordnet, bestehend aus einem stationären Leitschaufelkranz 3, der von dem Laufrad 2 einen geringen Abstand aufweist und axial mit dem Laufrad fluchtet und des­ sen Schaufeln 13, 14, wie aus Fig. 3 ersichtlich, so gekrümmt sind, daß sie die aus dem Laufrad 2 austretenden Luftstrahlen S bündeln.

Zu dem Strömungsleitapparat gehört ein Berührungsschutz 4, der auf der Luftaustritts­ seite 7 des Leitschaufelkranzes angeordnet ist und aus einem Maschendrahtgewebe be­ steht, das wenigstens die Schaufelkanäle 17 abdeckt, so daß ein Hindurchgreifen durch die Schaufelkanäle von Hand und damit eine Berührung des rotierenden Laufrades un­ möglich ist.

Der in Fig. 1 schematisch angedeutete Elektromotor 6 wird mit Hilfe einer Vorrichtung 18 im Leitschaufelkranz 3 gehaltert.

Mit der obigen Konstruktion durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß bei einem Lauf­ raddurchmesser LD von 800 mm bei einem Nabendurchmesser ND von 250 mm die im folgenden noch näher erläuterte Konstruktion des Leitschaufelkranzes 3 und insbesonde­ re der Leitschaufeln selbst den Abstrahlwinkel ε des Luftstroms am Laufradaustritt so beeinflußt, daß der Luftstrom nach kurzer Entfernung, d. h. etwa 1 m hinter dem Leit­ schaufelaustritt E, fast parallel zur Laufradmittelachse 5 verläuft.

Zur Feststellung dieser Tatsache wurde eine Strömungsfeldaufnahme an dem in Fig. 1 dargestellten Laufrad 2 zunächst ohne nachgeschaltetem Leitschaufelkranz 3 mit Hilfe einer Conrad-Sonde gemacht.

Da die Strömungsgeschwindigkeit ein Vektor ist, benötigte man zu ihrer exakten Fest­ stellung neben dem Betrag auch die Richtung. Zur Messung der Strömungsrichtung wur­ de eine 5-Lochsonde nach Conrad verwendet, und zwar mit einem in Fig. 4 dargestellten Versuchsaufbau.
Die Messungen wurden entlang der Laufradmittelachse durchgeführt.
Abstand: Laufradschaufelende - Rand der Einlaufdüse 6 = 40 mm
Abstand: Einlaufdüsenrand - Conradsondenkopf= 35 mm

Meßergebnisse

Der gemessene Abstrahlwinkel ε ist also bei dem Ventilatorlaufrad 2 ohne nachgeschalte­ tem Leitschaufelkranz 3 längs des Laufradradius überall negativ, was bedeutet, daß die aus dem Ventilator austretenden Luftstrahlen nicht gebündelt werden, sondern von der Laufradachse 5 wegdivergieren.

Mit Hilfe des dem Laufrad 2 in geringem Abstand nachgeschalteten Leitschaufelkranzes 3 gelang es, den Abstrahlwinkel ε des Luftstroms der Luftaustrittsseite 7 des Laufrades so zu beeinflussen, daß die hinter dem Laufrad herrschende Strömung im wesentlichen gerade gerichtet ist, d. h. nicht mehr drallbehaftet ist, wie dies in Fig. 1 durch das Luft­ strahlenbündel im unteren Bereich schematisch angedeutet ist.

Dadurch steigt der statische Druck hinter dem Laufrad bei entsprechender Wirkungs­ gradverbesserung.

Während die Messung ohne nachgeschalteten Leitschaufelkranz bestätigt, daß die Luft seitlich vom Laufrad abströmt und mehr als 80% des Volumenstroms im Bereich von 0 bis 150 mm Entfernung vom Laufrad erzeugt wird, hat sich gezeigt, daß mit Hilfe des Leitschaufelkranzes und bei einer Optimierung des Abstandes zwischen dem Laufrad und dem Leitschaufelkranz auch der seitlich entweichende Luftstrom erfaßt werden kann. Bei einem Laufraddurchmesser LD von 800 mm hat sich auf diese Weise als optimale Länge LL der Schaufeln 13, 14 des Leitschaufelkranzes 3 160 mm (Fig. 3) erwiesen. Die An­ zahl Z der Leitschaufeln betrug, wie aus Fig. 2 ersichtlich, fünfundzwanzig bei gleich­ mäßiger Schaufelverteilung und Teilung am Außenring AR von 103 und Teilung am In­ nenring IR von 62,8.

Die Leitschaufeln 13, 14 sind den Laufschaufeln angepaßt, d. h., der Vektor der Austritts­ geschwindigkeit des Laufrads 2 tritt tangential in das Leitrad bzw. den Leitschaufelkranz 3 ein. Durch die Krümmung wird der Vektor umgelenkt, so daß er fast parallel zur Lauf­ raddrehachse 5 den Leitschaufelkranz 3 verläßt, wie aus Fig. 1 ersichtlich.

Im einzelnen hat die der Ausführungsform von Fig. 1 zugrundeliegende Anordnung von Laufrad und Leitschaufelkranz unter vergleichbaren Versuchsbedingungen wie oben im Zusammenhang mit dem Versuchsaufbau ohne Leitschaufelkranz 3 beschrieben, zu den folgenden Meßergebnissen geführt.

Versuchsbedingungen

Abstand zwischen LR-Schaufelende und Rand der Einlaufdüse 16 = 40 mm
Abstand Einlaufdüsenrand und Leitschaufelkranz = 30 mm
Abstand Leitschaufelkranz und Conradsondenkopf= 30 mm
Vorzeichenvereinbarung wie beim vorherigen Versuchsaufbau.

Meßergebnisse

Es ist zu erkennen, daß in einem Abstand von 160 mm bezogen auf den Rand der Ein­ laufdüse 16 der Winkel α bzw. ε wieder negativ ist. Dies ist durch die gestrichelte Linie LS in Fig. 1 angedeutet. Die Abstrahlwinkel beeinflussen sich gegenseitig, was im vorlie­ genden Fall bedeutet, daß der Luftstrahl S schon nach kurzer Entfernung, nämlich nach etwa 1 m, fast parallel zur Laufraddrehachse 5 verläuft, was sich wiederum positiv auf die Wurfweite des Laufrads auswirkt.

Während bei der Versuchsanordnung ohne nachgeschalteten Leitschaufelkranz der Ab­ strahlwinkel ε hinter dem Laufrad durchschnittlich 20° beträgt, was eine Strahlaufwei­ tung von ca. 40° bedeutet, und die Geschwindigkeit der abgestrahlten Luft im Abstand von 4 m zu 1 m/s gemessen wurde, betrug der Abstrahlwinkel bei Versuchsanordnung mit nachgeschaltetem Leitschaufelkranz durchschnittlich nur etwa 5° und somit die Strahl­ aufweitung etwa 10°, was eine erhebliche Reduzierung gegenüber dem Zustand ohne nachgeschaltetem Leitschaufelkranz bedeutet. Diese reduzierte Strahlaufweitung führt auch zu einer erheblichen Vergrößerung der Wurfweite des Strahls, die in einem Abstand von 4 m vom Laufrad durch eine Geschwindigkeit von 6,7 m/s gekennzeichnet ist. Andere Abstandswerte zeigen gegenüber der Anordnung ohne Leitschaufelkranz ähnlich verbesserte Wurfweitenwerte.

Somit wird mit Hilfe des nachgeschalteten Leitschaufelkranzes 3 eine wesentliche Bün­ delung der Luftstrahlen erreicht.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich sind die Leitschaufeln 13, 14 des Leitschaufelkranzes 3 von ih­ rer Vorderkante V ausgehend, an der der Einfallstrahl S₁ tangential zur Schaufeloberflä­ che 19, 20 in den Leitschaufelkranz eintritt, bis zur ihrer Hinterkante E, an der der Aus­ fallstrahl S₂ den Leitschaufelkranz tangential zur Schaufeloberfläche verläßt, kontinuier­ lich flächig gekrümmt. Diese Krümmung entspricht einem Kreisbogen mit dem Radius R. Der Krümmungswinkel A der Leitschaufeln 13, 14 zwischen Schaufelvorderkante V und Schaufelhinterkante E beträgt etwa 63°und wird bestimmt durch den Schnittpunkt C der beiden Lote L₁ und L₂ auf den Einfallstrahl S₁ an der Schaufelvorderkante V und den Ausfallstrahl S₂ an der Leitschaufelhinterkante E.

Die durch die beiden Schnittpunkte der Lote L₁ und L₂ mit dem Einfallstrahl S₁ bzw. dem Ausfallstrahl S₂ an der Schaufelvorderkante V bzw. der Schaufelhinterkante E gelegte Gerade G bildet mit den beiden Schaufelkanten einen Winkel γ von 111°.

Die in Fig. 3 dargestellte besondere Ausführungsform des Leitschaufelkranzes 3 kenn­ zeichnet sich nicht nur durch die im Zusammenhang mit Fig. 2 erwähnte Außenring­ teilung AR von 103 mm und Innenringteilung JR von 62,8 mm bei einer Leitschaufel­ anzahl von fünfundzwanzig, sondern auch durch das Merkmal, daß die Breite T des Leit­ schaufelkranzes, die von seiner Lufteintrittsseite 8 und seiner Luftaustrittsseite 7 be­ grenzt wird, 55 mm, die Breite F des Fußes 12 der Leitschaufeln 62,7 mm und die Breite S der Spitze 11 der Leitschaufeln 46,7 mm betragen. Darüberhinaus ist die Leitschaufel­ vorderseite 10 gerade ausgebildet und verläuft in Umfangsrichtung zur Laufradmittelach­ se 3 geneigt, während die Rückseite 9 der Leitschaufeln 13, 14 zwar ebenfalls gerade ist, jedoch in Umfangsrichtung senkrecht zur Drehachse 5 ausgerichtet ist.

Claims (12)

1. Schutzgittervorrichtung für Ventilatoren, insbesondere von Luftkühlern, bestehend aus einem einen Lufteinlaß und einen Luftauslaß aufweisenden Gehäuse mit einem von Kühlmittelrohren durchzogenen Lamellenpaket und einem von einem Elektromo­ tor angetriebenen Ventilator im Bereich des Luftauslasses, dessen Laufrad ein Schutzgitter zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer weitgehend drallfreien Austrittsluftströmung das Schutzgitter als Strömungsleitappa­ rat ausgebildet ist, der abstromseitig des Ventilatorlaufrades (2) in geringem Abstand von diesem einen mit dem Ventilatorlaufrad axial fluchtenden, stationären Leitschau­ felkranz (3) aufweist, dessen Schaufeln (13, 14) so gekrümmt sind, daß sie die aus dem Laufrad (2) austretenden Luftstrahlen bündeln, und daß auf der Eintrittsseite des Leitschaufelkranzes (3) oder seiner Austrittsseite ein den Luftdurchgang durch den Leitschaufelkranz nicht behindernder Berührungsschutz (4) angeordnet ist.

2. Schutzgittervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Berüh­ rungsschutz (4) ein grobes Maschendrahtgewebe ist.

3. Schutzgittervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ma­ schendrahtgewebe auf der Lufteintrittsseite (8) oder Luftaustrittsseite (7) des Leit­ schaufelkranzes (3) wenigstens im Bereich der Schaufelkanäle (17) angeordnet ist.

4. Schutzgittervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Krümmung der Leitschaufeln (13, 14) des Leitschaufelkranzes (3) der Krümmung der Laufschaufeln des Laufrads (2) des Ventilators so angepaßt ist, daß der Vektor der Austrittsgeschwindigkeit des Laufrades (2) tangential in den Leit­ schaufelkranz (3) eintritt.

5. Schutzgittervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leitschaufeln (13, 14) des Leitschaufelkranzes (3) von ihrer Vorderkan­ te V, an der der Einfallstrahl S₁ tangential zur Schaufeloberfläche (19, 20) in den Leitschaufelkranz eintritt, bis zu ihrer Hinterkante E, an der der Ausfallstrahl S₂ den Leitschaufelkranz tangential zur Schaufeloberfläche (15, 16) verläßt, kontinuierlich flächig gekrümmt sind.

6. Schutzgittervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krüm­ mung der Leitschaufeln (13, 14) einem Kreisbogen entspricht.

7. Schutzgittervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Krümmungswinkel Δ der Leitschaufeln (13, 14) zwischen Schaufelvor­ derkante V und Schaufelhinterkante E 630 beträgt und bestimmt ist durch den Schnittpunkt C der beiden Lote L₁ und L₂ auf den Einfallstrahl S₁ an der Schaufel­ vorderkante V bzw. auf den Ausfallstrahl S₂ an der Schaufelhinterkante E.

8. Schutzgittervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die beiden Schnittpunkte der Lote L₁ und L₂ mit dem Einfallstrahls S₁ an der Schau­ felvorderkante V bzw. dem Ausfallstrahl S₂ an der Schaufelhinterkante E gelegte Gerade G mit den beiden Schaufelkanten einen Winkel γ von 111° bildet.

9. Schutzgittervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Leitschaufelkranz (3) bei einem Außendurchmesser von 820 mm und einem Innendurchmesser von 500 mm mit 25 Leitschaufeln (13, 14) bestückt ist, die gleichmäßig verteilt eine Teilung am Außenring von 103 mm und am Innenring von 62,8 mm aufweisen.

10. Schutzgittervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite T des Leitschaufelkranzes (3) 55 mm, die Breite F des Fußes (12) der Leitschaufeln 62,7 mm und die Breite S des Kopfes (11) der Leitschaufeln 46,7 mm betragen.

11. Schutzgittervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leitschaufelvorderseite (10) gerade ist und in Umfangsrichtung zur Laufraddrehachse (5) geneigt verläuft und daß die Rückseite (9) der Leitschaufeln gerade ist und in Umfangsrichtung senkrecht zur Drehachse (5) verläuft.

12. Schutzgittervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Elektromotor (6) des Laufrades (2) im Leitschaufelkranz (3) gehaltert ist.