DE68915278T2 - GUIDE BLADE FOR AXIAL BLOWERS. - Google Patents
GUIDE BLADE FOR AXIAL BLOWERS.Info
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Description
Die Erfindung betrifft eine Leitschaufel für ein Axialgebläserad.The invention relates to a guide vane for an axial fan wheel.
Wenn Gas durch ein Axialgebläserad hindurchströmt, wird das Gas von den Impellerrotorschaufeln abgelenkt und ein Druckanstieg wird über den Impeller hin erhalten. Die Ablenkung bedeutet jedoch, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit nach dem Durchtritt durch den Impeller eine Rotationskomponente hat. Diese Rotationskomponente bildet eine Rotationsenergie, die häufig bei dem sich fortsetzenden Gastransport stromabwärts des Gebläserades verlorengeht.When gas passes through an axial fan, the gas is deflected by the impeller rotor blades and a pressure increase is obtained across the impeller. However, the deflection means that the gas flow velocity after passing through the impeller has a rotational component. This rotational component creates rotational energy that is often lost in the continued gas transport downstream of the fan.
Es ist beispielsweise aus der SE-P-94040 bekannt, einen Ring von Leitschaufeln stromabwärts des Impellers anzuordnen, um diese Rotationsenergie zu nutzen und dadurch den Druckanstieg des Gebläses wie auch dessen Wirkungsgrad zu steigern. Die Rotationsenergie des Gasstromes hinter dem Impeller wird so in einen statischen Druckanstieg beim passieren der Leitschaufeln umgewandelt. Diese Umwandlung ist nicht frei von Verlusten und um die Verluste zu minimieren, ist es wesentlich, daß der Eintrittswinkel der Leitschaufein im wesentlichen mit der Richtung des den Impeller verlassenden Gasstromes übereinstimmt. Wenn die Eintritts Seite der Leitschaufeln nicht an die Richtung des auftreffenden Gases angepaßt ist, wird eine starke Strömungsablösung an der Leitschaufel mit großen Energieverlusten und damit einhergehender Verringerung des Gebläsewirkungsgrades als Folge erhalten. Die Leitschaufeln sind außerdem derart ausgeführt, das dem Gas an der Auslaßseite im wesentlichen axial abströmt.For example, it is known from SE-P-94040 to arrange a ring of guide vanes downstream of the impeller in order to use this rotational energy and thereby increase the pressure increase of the fan as well as its efficiency. The rotational energy of the gas flow behind the impeller is thus converted into a static pressure increase as it passes through the guide vanes. This conversion is not free of losses and in order to minimize the losses, it is essential that the entry angle of the guide vanes essentially matches the direction of the gas flow leaving the impeller. If the entry side of the guide vanes is not adapted to the direction of the impinging gas, a strong flow separation at the guide vane is obtained with large energy losses and a concomitant reduction in the fan efficiency as a result. The guide vanes are also designed in such a way that the gas flows essentially axially on the outlet side.
Es wurde gefunden, daß die Größe der Rotationskomponente in Radialrichtung variiert, was bedeutet, daß der Winkel zwischen der Strömungsrichtung und der Zentralachse mit dem Radius variiert. Die Strömung ist sehr komplex und sekundäreffekte ergeben sich dadurch, daß die Drehung hinter den Gebläseschaufeln am Fuß und am freien Ende der Schaufeln stärker ist. Am Fuß der Schaufeln, d.h. an der Stelle der Befestigung der Schaufeln an der Nabe, wird dem Gasstrom eine verstärkte Rotation durch die Rückströmung in Spalten und durch die Rotation der Nabe erteilt und am freien Ende der Schaufeln ergibt sich eine verstärkte Rotation als Ergebnis von Rückströmung, von welcher die Axialkomponente verkleinert wird. Zusätzlich wird angemerkt, daß die äußere Begrenzungsfläche, beispielsweise die Wandung eines Strömungskanales oder dergleichen, nicht nur die Tangensialströmungskomponente, sondern auch die Axialkomponente verkleinert. Zusammmengenommen ergibt sich die unerwartete radiale Änderung der Strömungsrichtung wie in Figur 1 dargestellt.It was found that the magnitude of the rotational component varies in the radial direction, which means that the angle between the flow direction and the central axis varies with the radius. The flow is very complex and secondary effects arise from the fact that the rotation behind the fan blades is stronger at the base and at the free end of the blades. At the base of the blades, ie at the point where the blades are attached to the hub, the gas flow is given an increased rotation by the backflow in gaps and by the rotation of the hub and at the free end of the blades an increased rotation occurs as a result of backflow, of which the axial component is reduced. In addition, it is noted that the outer boundary surface, for example the wall of a flow channel or the like, reduces not only the tangential flow component but also the axial component. Taken together, the unexpected radial change in the flow direction results as shown in Figure 1.
Figur 1 illustriert somit das Ergebnis von Messungen, die an einem Axialgebläserad durchgeführt wurden. Wie ersichtlich, ist der Winkel zwischen der Strömungsrichtung und der Zentralachse an dem freien Ende und am Fuß der Schaufel größer und dazwischen passiert der Winkel ein Minimum. Die Genauigkeit der Kurve ist durch solche Parameter wie den Schaufelwinkel am Impeller und dem gewählten Betriebspunkt in dem entsprechenden Gebläseraddiagramm (Druck/Strömungsdiagramm), jedoch ist die Form der Kurve qualitativ die gleiche, mit einem Minimum zwischen den Stellen an dem Schaufelfuß und dem freien Schaufelende.Figure 1 thus illustrates the result of measurements carried out on an axial fan impeller. As can be seen, the angle between the flow direction and the central axis is larger at the free end and at the root of the blade and between them the angle passes a minimum. The accuracy of the curve is determined by such parameters as the blade angle at the impeller and the selected operating point in the corresponding fan impeller diagram (pressure/flow diagram), however the shape of the curve is qualitatively the same, with a minimum between the points at the blade root and the free end of the blade.
Bei Versuchen, den Eintrittswinkel der Leitschaufel an die Rotationkomponente anzupassen, die radial variiert, wurden Leitschaufeln mit sich ändernder Krümmung hergestellt, was jedoch eine sehr komplizierte Herstellungstechnik erfordert.In attempts to adapt the entry angle of the guide vane to the rotational component, which varies radially, guide vanes with varying curvature have been manufactured, which, however, requires a very complicated manufacturing technique.
Leitschaufeln wurden auch hergestellt, die eine Schrägkante zwischen den inneren und äußeren Längskanten der Leitschaufel aufweisen, so daß die gekrümmte Länge der Leitschaufeln entlang der Innenkante länger als die Krümmungslänge entlang der radial äußeren Kante ist. Für eine konstante Krümmung der Leitschaufel wird daher ein größerer Eintrittswinkel an dem radial inneren Teil der Leitschaufel als an deren radial äußeren Teil erhalten.Guide vanes have also been manufactured which have a bevelled edge between the inner and outer longitudinal edges of the guide vane, so that the curved length of the guide vanes along the inner edge is longer than the curved length along the radially outer edge. For a constant curvature of the guide vane, a larger entry angle is therefore required at the radially inner Part of the guide vane than at its radially outer part.
Das Ziel der Erfindung ist es, ausgehend von der oben erwähnten Erkenntnis von der radialen Änderung der Rotationsbewegung eine neuartige Leitschaufel zu schaffen, die an ihrer Einlaßseite an die Richtung des auftreffenden Gases in beträchtlich verbessertem Maße entlang der gesamten Radiaiausdehnung der Leitschaufel angepaßt ist, während die Leitschaufel einfach und kostengünstig herstellbar ist.The aim of the invention is, based on the above-mentioned knowledge of the radial change in the rotational movement, to create a new type of guide vane which is adapted on its inlet side to the direction of the impinging gas to a considerably improved extent along the entire radial extent of the guide vane, while the guide vane can be manufactured simply and inexpensively.
Dieses Ziel wird mit einer Leitschaufel der in dem einleitenden Teil beschriebenen Art durch die im Anspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merkmale erreicht.This object is achieved with a guide vane of the type described in the introductory part by the characterizing features specified in claim 1.
Indem der Kante des Schaufelabschnittes, die dem Axialrotor zugewandt ist, eine Gestaltung gegeben wird, die im wesentlichen der in Figur 1 dargestellten Änderung der Rotationkomponente folgt, kann die Schaufel mit konstanter Krümmung hergestellt werden und gleichzeitig eine ausgezeichnete Anpassung des Eintrittswinkels an die Richtung des auftreffenden Gases an jeder Stelle erzielt werden.By giving the edge of the blade section facing the axial rotor a design that essentially follows the change in the rotation component shown in Figure 1, the blade can be manufactured with a constant curvature and at the same time an excellent adaptation of the entry angle to the direction of the impinging gas can be achieved at any point.
Mit der erfindungsgemäßen Leitschaufel können Verbesserungen des Gebläsewirkungsgrades bis zu 20% im Vergleich mit Leitschaufeln erzielt werden, die allgemein auf dem Markt verfügbar sind.With the guide vane according to the invention, improvements in fan efficiency of up to 20% can be achieved compared with guide vanes that are generally available on the market.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leitschaufel erfüllt der Eintrittswinkel (α&sub1;) an der radial innen liegenden Stelle oder Fußstelle die Bedingung:According to an advantageous embodiment of the guide vane according to the invention, the entry angle (α₁) at the radially inner point or root point satisfies the condition:
40º < α&sub1; < 70º,40º < α₁ < 70º,
vorzugsweisepreferably
52º < α&sub1; < 70º.52º < α₁ < 70º.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leitschaufel, die einen konstanten Krümmungsradius hat, erfüllt das Verhältnis zwischen dem Krümmungsradius R und der Länge L&sub1; der radial innen liegenden Kante der Leitschaufel die Bedingung:According to another advantageous embodiment of the guide vane according to the invention, which has a constant radius of curvature, the ratio between the radius of curvature R and the length L₁ of the radially inner edge of the guide vane, the condition:
0.83 < R/L&sub1; < 1,45,0.83 < R/L₁ < 1.45,
vorzugsweisepreferably
50,83 < R/L&sub1; < 1,10.50.83 < R/L1 < 1.10.
Eine Optimierung der Leitschaufelgestaltung am gewählten Betriebspunkt im Bereich in dem Druck-Strömungs-Diagramm, welcher von Interesse ist, wird in dieser Weise ermöglicht.This enables optimization of the guide vane design at the selected operating point in the area of interest in the pressure-flow diagram.
Gemäß einer noch anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leitschaufel erfüllt das Verhältnis zwischen der Länge L&sub1; der radial innen liegenden Kante der Leitschaufel und der Länge L&sub2; der Leitschaufel in Höhe der Konkavität die Bedingung:According to yet another advantageous embodiment of the inventive guide vane, the ratio between the length L₁ of the radially inner edge of the guide vane and the length L₂ of the guide vane at the level of the concavity satisfies the condition:
1,8 < L&sub1;/L&sub2; < 2,3,1.8 < L�1;/L₂ < 2.3,
und die Konkavitätsstelle ist durch die Bedingung bestimmt:and the concavity point is determined by the condition:
0,4 < H&sub1;/H&sub2; < 0,9,0.4 < H₁/H₂ < 0.9,
vorzugsweisepreferably
0,5 < H&sub1;/H&sub2; < 0,8,0.5 < H₁/H₂ < 0.8,
wobei H den Abstand der Konkavitätsstelle von der radial inneren Kante und H&sub2; die Gesamthöhe der Leitschaufel bezeichnen.where H is the distance of the concavity from the radially inner edge and H2 is the total height of the guide vane.
Der Eintrittswinkel der Leitschaufel am äußeren Ende derselben muß beispielsweise auf den Eintrittswinkel am Leitschaufelfuß bezogen werden, und gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leitschaufel ist dieses Verhältnis durch die Bedingung gegeben:The entry angle of the guide vane at the outer end of the same must, for example, be related to the entry angle at the guide vane root, and according to another advantageous embodiment of the guide vane according to the invention, this relationship is given by the condition:
0,5 ≤ L&sub3;/L&sub1; ≤ 0,7,0.5 ≤ L₃/L�1; ≤ 0.7,
wobei L&sub3; und L&sub1; die Längen der radial äußeren bzw. innern Kanten der Leitschaufel bezeichnen.where L₃ and L�1 are the lengths of the radially outer and inner edges of the guide vane, respectively.
Wenn die oben angegebenen Grenzwerte der unterschiedlichen Parameter zur Bestimmung der Gestaltung der Leitschaufel überschritten werden treten Störungen unterschiedlicher Arten auf, z.B. eine Ablösung der Gasströmung von der Leitschaufel mit daraus resultierenden Energieverlusten.If the above-mentioned limit values of the various parameters for determining the design of the guide vane are exceeded, various types of disturbances occur, e.g. a separation of the gas flow from the guide vane with resulting energy losses.
Auführungsformen der Leitschaufel gemäß der Erfindung werden, als ausgewählte Beispiele, nun in mehr Einzelheiten im Zusammenhang mit den Figuren 2-5 beschrieben.Embodiments of the guide vane according to the invention will now be described, as selected examples, in more detail in connection with Figures 2-5.
Figur 1 stellt die radiale Anderung des Winkels zwischen der Strömungsrichtung und der Zentralachse von dem Schaufelfuß bis zu der Schaufelspitze dar.Figure 1 shows the radial change of the angle between the flow direction and the central axis from the blade root to the blade tip.
Figur 2 stellt ein Axialgebläse mit Leitschaufeln gemäß der Erfindung dar, die stromabwärts angeordnet sind.Figure 2 shows an axial fan with guide vanes according to the invention arranged downstream.
Figur 3 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leitschaufel in Abwicklung in eine Ebene dar.Figure 3 shows a preferred embodiment of the guide vane according to the invention in a developed plane.
Figur 4 stellt die Leitschaufel aus Figur 3 mit konstanter Krümmung dar, undFigure 4 shows the guide vane from Figure 3 with constant curvature, and
Figur 5 stellt eine alternative Ausführungsform der Leitschaufel gemäß der Erfindung, ebenfalls in eine Ebene abgewickelt, dar.Figure 5 shows an alternative embodiment of the guide vane according to the invention, also developed into a plane.
In Figur 2 ist ein Axialgebläserad 2 dargestellt, das in einem Kanal 4 installiert ist, wobei die Luftströmungsrichtung durch den Pfeil q angegeben ist. Stromabwärts des Gebläserades und in einem gegebenen Abstand von demselben ist ein Ring aus Leitschaufeln 6 angebracht, wobei die radiale Ausdehnung der Leitschaufeln im wesentlichen mit derjenigen der Gebläseradschaufeln 8 übereinstimmt. Wie insbesondere für die Leitschaufel 6' ersichtlich, weisen die Leitschaufeln einen im wesentlichen axialen Auslaßwinkel auf, wo hingegen der Eintrittswinkel einen gegebenen Winkel mit der Zentralachse des Gebläserades darstellt.Figure 2 shows an axial fan wheel 2 installed in a duct 4, the air flow direction being indicated by the arrow q. Downstream of the fan wheel and at a given distance from it, a ring of guide vanes 6 is mounted, the radial extent of the guide vanes substantially corresponding to that of the fan wheel blades 8. As can be seen in particular for the guide vane 6', the guide vanes have a substantially axial outlet angle, whereas the inlet angle represents a given angle with the central axis of the fan wheel.
In Figur 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Leitschaufel 6 erläutert, die in eine Ebene abgewickelt ist. Der Endabschnitt der Leitschaufel 6, der dem Gebläserad zugewandt sein soll, weist eine Kante 10 mit einer parabolischen Gestalt auf, so das zwischen der inneren und der äußern Längskante 12 und 14 der Leitschaufel 6 eine Konkavität mit einer kürzeren Länge L2 entlang der Schaufel als die der Kanten L&sub1; und L&sub3; vorhanden ist. Die Schaufel 6 weist eine gerade vorlaufende Kante 16 auf.In Figure 3, a preferred embodiment of a guide vane 6 is explained, which is developed in a plane. The end section of the guide vane 6, which is to face the fan wheel, has an edge 10 with a parabolic shape, so that between the inner and the outer longitudinal edges 12 and 14 of the guide vane 6 have a concavity with a shorter length L2 along the blade than that of the edges L₁ and L₃. The blade 6 has a straight leading edge 16.
Die Höhe der Konkavität, gemessen von der inneren Längskante 12, ist mit H&sub1; und die Gesamthöhe der Schaufel mit H&sub2; bezeichnet. Der Ort der Konkavität ist durch die Bedingung bestimmt:The height of the concavity, measured from the inner longitudinal edge 12, is designated H₁ and the total height of the blade is designated H₂. The location of the concavity is determined by the condition :
0,4 < H&sub1;/H&sub2; < 0,9,0.4 < H₁/H₂ < 0.9,
vorzugsweisepreferably
0,5 < H&sub1;/H&sub2; < 0,8.0.5 < H₁/H₂ < 0.8.
Wenn der Leitschaufel aus Figur 3 eine konstante Krümmung mit einem Krümmungsradius gemäß Figur 4 gegeben wird, wird ein größerer Eintrittswinkel gegenüber der Zentralachse an dem inneren Abschnitt der Leitschaufel, der in Höhe des Schaufelfußes liegt, als an dem äußern Abschnitt der Leitschaufel 6 erhalten, der in Höhe der Schaufelspitze liegt, da die innere Längskante 12 länger als die äußere Längskante 14 entsprechend Figur 3 ist. Im mittleren konkaven Abschnitt ist der Eintrittswinkel stets kleiner und daher ist in einfacher Weise eine radiale Änderung des Eintrittswinkels erzielt, die der radialen Änderung der Gasströmungs-Rotationskomponente, wie oben diskutiert, entspricht.If the guide vane of Figure 3 is given a constant curvature with a radius of curvature according to Figure 4, a larger entry angle with respect to the central axis is obtained at the inner section of the guide vane, which is at the level of the blade root, than at the outer section of the guide vane 6, which is at the level of the blade tip, since the inner longitudinal edge 12 is longer than the outer longitudinal edge 14 according to Figure 3. In the central concave section the entry angle is always smaller and therefore a radial change in the entry angle is easily achieved which corresponds to the radial change in the gas flow rotation component, as discussed above.
Bei 0,50 ≤ L&sub3;/L&sub1; ≤ 0,70 sind Verhältnisse zwischen den Eintrittswinkeln an den äußeren und den inneren Abschnitten der Schaufel erhalten, welche gut an die praktischen Bedingungen angepaßt sind.At 0.50 ≤ L₃/L₁ ≤ 0.70, ratios between the entrance angles at the outer and inner sections of the blade are obtained which are well adapted to the practical conditions.
Die Längen L&sub1; und L&sub2; erfüllen die Bedingung:The lengths L�1 and L�2 satisfy the condition:
1.8 < L&sub1;/L&sub2; < 2,3.1.8 < L₁/L₂ < 2.3.
Um eine Optimierung der Leitschaufel an unterschiedlichen Betriebspunkten in dem Druck-Strömungs-Diagramm zu ermöglichen, d.i. sowohl für einen großen Durchsatz als auch für hohen Druck, muß der Krümmungsradius R, siehe Figur 4, und L&sub1; dieIn order to enable optimization of the guide vane at different operating points in the pressure-flow diagram, i.e. both for high flow and high pressure, the radius of curvature R, see Figure 4, and L₁ the
Bedingung erfüllen:Meet the condition:
0.83 < R/L&sub1; < 1.45,0.83 < R/L₁ < 1.45,
vorzugsweisepreferably
0,83 < R/L&sub1; < 1.10.0.83 < R/L1 < 1.10.
Das Verhältnis zwischen den Radien R&sub1; und R&sub2; von der Zentralachse 18 des Gebläserades bis zu der Innenkante 12 der Leitschaufel bzw. bis zu der Außenkante 14 erfüllt die Bedingung:The ratio between the radii R₁ and R₂ from the central axis 18 of the fan wheel to the inner edge 12 of the guide blade or to the outer edge 14 satisfies the condition:
0,3 < R&sub1;/R&sub2; < 0,8,0.3 < R₁/R₂ < 0.8,
vorzugsweisepreferably
0,45 < R&sub1;/R&sub2; < 0,72.0.45 < R₁/R₂ < 0.72.
Die Schaufel ist dadurch für praktisch alle Axialgebläse, die in der Praxis verwendet werden, nützlich.The blade is therefore useful for practically all axial fans that are used in practice.
Zusätzlich entspricht R&sub1; dem Radius der Impellernabe, wohingegen der Radius R2 dem Radius des betreffenden Strömungskanales 4 entspricht, was ebenfalls im wesentlichen den Radien des Schaufelrades entspricht, vergleiche Figur 2.In addition, R1 corresponds to the radius of the impeller hub, whereas the radius R2 corresponds to the radius of the relevant flow channel 4, which also essentially corresponds to the radii of the impeller, see Figure 2.
In Figur 5 ist eine alternative Ausführungsform einer Leitschaufel gemäß der Erfindung dargestellt, wobei die Kante, die dem Gebläserad zugewandt sein soll, von einem Polygonzug aus drei Seiten 20,22,24 gebildet wird. Die Seite 22 bildet dann den mittleren Konkavitätsabschnitt. Es wird darauf hingewiesen, das der Konkavitätsabschnitt 22 näher an der Außenkante 14 als an der Innenkante 12 liegt. Die Schaufel ist ebenfalls mit einem konstanten Krümmungsradius gekrümmt, wie in Figur 4 dargestellt. Dies ist eine einfache Leitschaufelgestalt, welche einen beträchtlichen Anstieg im Wirkunggrad verglichen mit früheren Ausführungsformen mit einer monoton verlaufenden Schrägkante, die mit gestrichelter Linie 26 in der Figur angegeben ist, ergibt.Figure 5 shows an alternative embodiment of a guide vane according to the invention, wherein the edge which is to face the impeller is formed by a polygonal line of three sides 20, 22, 24. The side 22 then forms the central concavity section. It is noted that the concavity section 22 is closer to the outer edge 14 than to the inner edge 12. The vane is also curved with a constant radius of curvature, as shown in Figure 4. This is a simple guide vane shape which gives a considerable increase in efficiency compared to previous embodiments with a monotonously extending bevel edge, which is indicated by dashed line 26 in the figure.
Es ist ersichtlich, daß eine Anzahl von Kurvenformen für die dem Gebläserad zugewandte Kante möglich ist, wobei diese Formen eine Konkavität wie oben beschrieben aufweisen. Bei der praktischen Anwendung wird. natürlich die Kurvenform gewählt, welche ein optimales Ergebnis erbringt.It can be seen that a number of curve shapes are possible for the edge facing the impeller, these shapes having a concavity as described above. practical application. Of course, the curve shape is chosen which produces an optimal result.
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