DE8225888U1 - Ventilator mit zur vermeidung unverwuenschter drehzahlen selbsttaetig um eine laengsachse verdrehbaren fluegeln - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 G 3 2 8 1 DE

Ventilator mit zur Vermeidung unerwünschter Drehzahlen selbsttätig um eine Längsachse verdrehbaren Flügeln

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventilator mit zur Vermeidung unerwünschter Drehzahlen selbsttätig um eine Längsachse verdrehbaren Flügeln gemäß Oberbegriff des 1 Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 3; ein derartiger Ventilator ist aus der DE-PS 862 280 bekannt. ,

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Bei dem bekannten Ventilator werden die Flügel des Verstellpropellers zur besonders einfachen Erzielung einer Anfahrβtellung drehzahlabhängig mittels Fliehkraftreglern derart verstellt, daß sie bei Stillstand und sehr geringen Drehzahlen in eine steilere Stellung und somit einen kleineren Winkel gegenüber der Windrichtung gebracht werden. Die Fliehkräfte arbeiten dabei über Übertragungsmittel auf die Jeweilige Flügelachse. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung soll die Fliehkrafteinrichtung sowohl für die Verstellung im Anlaufbereich als auch im Arbeitsbereich verwendet werden. Die bekannte / 25 Einrichtung wird besonders vorteilhaft für die Verwendung von Windkraftmotoren für kleine Anlagen angesehen, da der Propeller einerseits mit großen Momenten anlaufen kann und andererseits als Schnell-Läufer im eigentlichen Arbeitsbereich des Flügelrades selbsttätig drehzahlabhängig derart Verstellbar ist, daß sich eine | Regelung auf annähernd gleichbleibende Drehzahl oder auf pj gleichbleibende Leistung ergibt. |

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit f

einfachen Mitteln den Ventilator vor einer schädlichen h

Drehzahlerhöhung im Störfall einer externen, den Ventila- ^:

tor unter Beibehaltung seiner Drehrichtung nach dem |

Bk 2 Bih / 13.09.1982 |

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Prinzip einer Windturbine antreibenden Druckwelle durch die in der Druckwelle auftretenden Strömungskräfte zu schützen. Ein solcher Störfall ist insbesondere dann zu betrachten, wenn der gesicherte NebenkUhlkreis eines Kraftwerkblocks, bestehend aus Zellenkühlern mit Ventilator, auch gegen den Lastfall "äußere Explosion¹* auszulegen ist. Nach den Vorschriften der Genehmigungsbehörden ist die Explosionsdruckwelle durch eine Druck-Zelt-Funktion zu idealisieren, die u.a. durch eine kurzzeitige, Jedoch sehr hohen Druckanstieg bzw. Oeschwindigkeiteanstieg zu Beginn der anlaufenden Druckwelle gekennzeichnet ist. Wäre eine aufgabengemäß vorgesehene Sicherheitskonstruktion des Ventilators nicht vorhanden, so würde gegebenenfalls die anlaufende Druckwelle die Betriebsdrehzahl des Ventilators auf eine solche Spitzendrehzahl ansteigen lassen, daß selbst Werkstoffe großer Reißlänge dieser Belastung nicht widerstehen könnten.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß bei dem angenommenen

Störfall einer externen, den Ventilator nach dem Winkraftmaschinenprinzip antreibenden Druckwelle ein Vorzeichenwechsel in der auf jeden Lüfterflügel einwirkenden resultierenden Luftkraft eintritt und somit diese Luftkraft dann ( in entgegengesetzter Richtung auf den Lüfterflügel einwirkt, kann die gestellte Aufgabe bei einem Ventilator der eingangs genannten Art durch die Lehre gemäß Rennzeichen des Patentanspruhes 1 bzw. des Patentanspruchs 3 gelöst werden; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüehe 2 und 4. Durch die

Gegengewichte wird Im Zusammenwirken mit den um Ihre

speziellen Längsachsen verstellbaren Flügel und den einwirkenden Luft- und Zentrifugalkräften erreicht, daß die verstellbaren Flügel einerseits in Normalbetrieb bei der gemäß Lehre des Patentanspruchs 1 vorgesehenen Konstruktion durch die Zentrifugalkraft nicht in Schließ-Stellung

, mit nahezu senkrecht zur Lüfterachse verlaufender Flügel-

V sehne verdreht,sondern gegen den ersten Anschlag gedrückt

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bzw. bei der gemäß Lehre des Patentanspruchs 3 vorgesehenen Konsiruktion mit maßiger und im Störfall überwindbarer Kraft gegtm den ersten Anschlag gedrückt und andererseits im Störfall durch das auslösende Kriterium der beim übergang von einem Pump- auf einen Turbinenbetrieb charakteristischen Umkehrung der resultierenden Luftkraft aus ihrer ersten Betriebe-Stellung in die zweite Störfall-Stellung kippen und in dieser, eine unerwünschte Drehzahlerhöhung vermeidenden Stellung entweder durch den zweiten Anschlag oder in der Nullauftriebs-Oleichgewichtsstellung ohne gesonderten Anschlag gehalten werden.

Bei der gemäß der Lehre des Patentanspruchs 1 vorgesehenen Konstruktion sind nur etwa die Hälfte der gesamten am Umfang der Ventilatornabe angeordneten Flügel selbsttätig verstellbar auszubilden, da in vorteilhafter Weise der zweite Anschlag eine derartige Flügelstellung bewirkt, daß das Antriebsmoment der verstellten Flügel dem Antriebsmoment der nicht verstellten Flügel in seiner absoluten Größe entspricht, in seiner vektoriellen Wirkungsrichtung Jedoch derart entgegengerichtet ist, daß sich die Umfangskomponenten der Luftkräfte gerade aufheben oder zumindest nur ein solches resultierendes Antriebsmoment erlauben, das keine unzulässige Drehzahlerhöhung des Flügelrades bewirkt. ⁽⁾ 25

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier, schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine radiale Draufsicht auf einen Teil der Flügelradnabe mit einem im Schnitt dargestellten drehbaren Flügel und daran wirkenden Luftkräften in normaler Betriebs-Stellung,
Flg. 2 die Darstellung gemäß Fig. 1 jedoch mit den wirkenden Luftkräften unmittelbar nach Auftreffen der Störfall-Druckwelle,

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Pig. 3 die Darstellung gemäß Pig. 1 jedoch mit in S+.örfall-Stellung verdrehtem Flügel und daran wirkenden Luftkräften,

Pig« 4 in verkleinertem Maßstab eine Draufsicht auf einen Teil der abgewickelten Flügelradnabe mit vier dargestellten Flügeln, von denen Jeder zweite in Störfall-Gegenstellung zu den übrigen Flügeln verdreht ist, Fig. 5 eine radiale Draufsicht auf einen Teil der abgewickelten FlUgelradnabe mit einem im Schnitt dargestellt tea, um eine im ersten Viertel der Flügeltiefe befind-Iiehe Längsachse drehbaren Flügel und daran wirkenden ) Luftkräften in normaler Betriebs-Stellung, Fig. 6 die Darstellung gemäß Fig.5 ,jedoch mit in Störfall-Stellung verdrehtem Flügel und daran wirkenden Luftkräften,

Fig. 7 in verkleinertem Maßstab eine Draufsicht auf einen Teil der abgewickelten Flügelradnabe mit vier in Betriebs-Stellung dargestellten Flügeln, von denen jeder um eine Längsachse im ersten Viertel der Flügeltiefe drehbar ist,

Fig. 8 den Teil der FlUgelradnabe gemäß Fig. 7 jedoch mit in Störfall-Stellung verdrehten Flügeln.

χ Bei dem in den Figuren 1 bis 4 dargestellten AusfUhrungbeispiel ist wechselweise jeder zweite Flügel 2 als selbständig verdrehbarer Flügel 3 ausgebildet, während die übrigen Flügel 2 fest am Umfang der FlUgelradnabe 1 angeordnet sind. Fig. 4 zeigt dazu in einem Teilausschnitt in Draufsicht auf eine abgewickelte FlUgelradnabe 1 zwei aa Umfang dieser Flügelradnabe fest angeordnete Flügel 2 und jeweils zwei um ihre Längsachse 31 drehbare Flügel 3. Die drehbaren Flügel 3 sind in Fig. 4 in Störfall-Stellung eingetragen, In der sie alt ihren anströmseitigen Soden gegen Anschlage 7 anliegen. Ia Anfahr- und In normaler Betriebs-Stellung sind die drehbaren Flügel 3 derart um ihre Langeachse 31 verschwenkt, daß sie mit

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Ihren abströmseitigen Enden an Anschlägen 6 anliegen und

eine zu den fest angeordneten Flügeln 2 äquivalente %

Flügel-Stellung einnehmen. Die an den drehbaren Flügeln 3 *

erfindungsgemäß fest angeordneten Fliehgewichte sind in I

Fig. 4 nicht miteingezeichnet. i

Anhand der Figuren 1 bis 3 so_l im folgenden die aufgrund det· im normalen Betriebsfall bzw. im Störfall jeweils wirkenden Luft- und Fliehkräfte sich selbsttätig einstellende Verdrehung der in ihrer Schwereachse 31 drehbar gelagerten Flügel 3 näher erläutert worden:

Dazu zeigt Fig. 1 im Schnittbild einen einzelnen Flügel 3t der in normaler Betriebs-Stellung aufgrund der angenommenen Drehrichtung:η bzw. Anströmrichtung: L der Luft, der Lagerung in der Schwereachse 31 und des dargestellten Gegengewichtes 5 mit seinem abströmseitigen Ende gegen den ersten Anschlag 6 gedrückt wird.

Durch die Gegengewichte 5 wird einerseits der Einfluß der Zentrifugalkräfte kompensiert, die ansonsten die drehbaren Flügel in Schließ-Stellung (Flügelsehne senkrecht zur Flügelradachse) zu drehen versuchen und andererseits r erreicht, daß auch beim Anfahren des Flügelrades die drehbaren Flügel mit einem definierbaren Druck gegen den Anschlag 6 gedrückt werden. Im Sinne vorliegender Erfindung sind die Gegengewichte dazu Jeweils im Quadranten III eines angenommenen Koordinatensystems angeordnet, dessen Koordinaten-Ursprung gemäß Fig. 1 im Schwerepunkt der Längsachse 31 liegt und dessen Abszisse χ in Drehrichtung η des Flügelrades bzw. dessen Ordinate y in Richtung L der Luftströmung verläuft.

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In Pig. 1 ist zusätzlich die im normalen Ventilatorbetrieb am Flügel 3 angreifende resultierende Luftkraft F₁ eingetragen, die sich aufgrund des eingetragenen Geschwindigkeitsdreiecks mit den angenommenen Geschwindigkeiten: Durchtrittsgeschwindigkeit c_m, Umfangsgeschwindigkeit u sowie der Relativ- bzw. Anströmgeschwindigkeit W₀₀ (bei Vernachlässigung der hinter dem Laufrad vorhandenen Drallkomponente) im flügelfesten Koordinatensystem ergibt.

Beim Auftreffen bzw. beim Durchgang einer angenommenen definierten Druckwelle (Lastfall: "äußere Explosion") erhöht sich plötzlich - wie in Fig. 2 angedeutet - die Durchtritts- bzw. Meridiangeschwindigkeit c_m z.B. um das Zehnfache auf einen Wert c_m'; demzufolge wird auch die Relativ- bzw. Anströmgeschwindigkeit W₀₀ auf W

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vergrößert, während die Geschwindigkeitskomponente u der Umfangsgeschwindigkeit sich nur wenig ändert. Dieser Übergang vom Pumpbetrieb auf einen Turbinenbetrieb bei Beibehaltung der Drehrichtung ist durch eine Umkehrung des Vorzeichens der resultierenden Luftkraft am Flügel gekennzeichnet, so daß die Luftkraft F₁' im Störfall in entgegengesetzter Richtung zur Luftkraft F₁ im normalen Betriebs-Fall am Flügel 3 angreift. Der Vorzeichenwechsel der resultierenden Luftkraft und die sich dadurch ergebene entgegengesetzte Wirkungsrichtung der resultierenden Luftkraft wird nun benutzt, um den drehbaren Flügel 3 aus der normalen Betriebs-Stellung mit Anlage an dem ersten Anschlag 6 in die in Fig. 3 dargestellte Störfall-Stellung mit Anlage an dem zweiten Anschlag 7 zu verdrehen.

Durch die wechselweise Anordnung jeweils eines fest angeordneten und eines verdrehbar angeordneten Flügels am Umfang der Flügelradnabe 1 ergibt sich dann die in Fig.4 in der Abwicklung eines Teils der Flügelradnabe 1 darge-

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stellte Zuordnung der verschiedenen Flügel 2 bzw. 3. Durch die Lagewahl des Anschlags 7 kann dafür gesorgt werden, daß die Gesamtheit der auf die Flügel 2, 3 wirken den Umfangskomponenten der Luftkräfte sich gerade aufheben oder zumindest nur ein solches resultierendes Antriebsmoment zulassen, das nicht zu einer schädlichen Drehzahlerhöhung des Flügelrades führt.

Die Figuren 5 bis 8 zeigen eine weitere Ausführung «ines erfindungsgemäß ausgebildeten dru.ckfesten Axialventilatore bei wiederum angenommener Drehrichtung: η sowie Anströmrichtung: L der Luft. Dazu sind sämtliche am Umfang der Flügelradnabe 1 angeordneten Flügel 4 drehbar gelagert. Die Drehung erfolgt um eine Langsachse 41 im ersten Viertel der Flügeltiefe. Jeder Flügel ist wiederum mit einem gemäß Fig. 5 bzw. Fig. 6 im stromaufwärts liegenden Bereich der Flügelradnabe 1 angeordneten Gegengewicht 16 fest verbunden. Die Gegengewichte 6 sind in der schematischen Abwicklung der Laufradnabe 1 gemäß Fig. 7 bzw. Fig. 8 nicht eingezeichnet.

Ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis Fig. 4 ist auch beim vorliegenden Aueführungsbeispiel gemäß Fig. 5 bis Fig. 8 Jeder Flügel 4 aufgrund des Zusammenwirkens der Luft- und Fliehkräfte im normalen Ventilator-Betrieb an seinem abtriebsseitigen Ende in der Anfahr- bzw. Betriebs-Stellung gegen einen ersten Anschlag 8 gedrückt. Jeder einzelne Flügel wird sich bei der vorgesehenen Lagerung in Nullauftriebsrichtung verstellen, falls die Luftkraft F₂ nach Auf treffen der Druckwelle ihr Vorzeichen ändert und gemäß Fig. 6 am Flügel angreift. Im Normalbetrieb, d.h. vor Auftreffen einer Druckwelle, bewirkt die Luftkraft ein Anlegen Jedes Flügels gegen seinen Anschlag 8. Das im Betrieb infolge von Fliehkräften auf die Flügel wirkende unerwünschte Verstellmoment wird wiederum durch Gegengewichte

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',-. kompensiert. Dabei ist im Sinne der Erfindung das Gegen-

gewicht wiederum im Quadranten III eines angenommenen

% Koordinatensystems angeordnet, dessen Koordinatenursprung

im Längsachsenpunkt 41 liegt und dessen Abszisse x in ί 5 Drehrichtung η sowie dessen Ordinate in Richtung der

Luftströmung verlaufen. Das Gegengewicht 5 ist im erfin- ! dungsgemäßem Sinne so bemessen, daß einerseits im Normal-

. betrieb, insbesondere im Anfahrbetrieb eine Flügel-Anlage

mit definiertem Druck an den Anschlag β gewährleistet let und im Störfall die relativ geringe Luftkraft den

Flügel in die Nullauftriebestellung zu kippen vermag. Bei Anlaufen einer Druckwelle (Lastfall: "äußere Explosion")

gegen die Flügel 4 ändert sich die Richtung der Relativ- bzw. Anströmgeschwindigkeit W₀₀ gemäß Fig. 5 auf negative Anstellwinkel gemäß W¹^₀ gemäß Fig. 6; durch die Vorzeichenumkehr der resultierenden Luftkraft von F₂ gemäß Fig. 5 auf F₂"gemäß Fig. 6 wird der Flügel 4 von dem ersten Anschlag 8 abgehoben und in Nullauftriebsrichtung und somit in die Störfall-Stellung gemäß Fig. 6 verdreht. Sobald die Nullauftriebsrichtung überschritten wird, erfährt der Flügel Verstellkräfte, durch die er wieder im Sinne einer stabilen Gleichgewichtslage in die Nähe ) der Nullauftriebsrichtuüg zurückgedreht wird. In dieser Gleichgewichtslage bleiben die auf den Flügel wirkenden Kräfte relativ gering, so daß eine schädliche Drehzahlerhöhung des Laufrades mit Sicherheit vermieden werden kenn_f

Fig. 7 zeigt in einer Teilabwicklung der Flügelradnabe 1 die Betriebs-Stellung der Flügel 4 bei der eingezeichneten angenommenen Drehrichtung η des Laufrades und der Anströmrichtung L der Druckwelle. Fig. β zeigt die gleiche Abwicklung der Flügelradnabe jedoch mit um ihre Jweilige Drehachse 41 in Nullauftriebsrichtung verdrehten Flügeln4 und bei jeweils vernachlässigter Lagerreibung.

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Claims (4)

- 9 - VPA 82 G32810E Sohutzanaprüche

1. Ventilator mit zur Vermeidung unerwünschter Drehzahlen selbsttätig um eine Längsachse verdrehbaren Flügeln unter Verwendung von Fliegewichten und zwei in verschiedenen Richtungen wirkenden Anschlägen, dadurch gekennzeichnet, daß erste Flügel (2) auf der Laufradnabe (1) des Ventilators fest angeordnet und die übrigen Flügel (3) Jeweils um ihre Schwereachse (31) zwischen einer ersten, durch einen ersten Anschlag (6) begrenzten Betriebs-Stellung und einer zweiten, durch einen zweiten Anschlag (7) begrenzten Störfall-Stellung frei drehbar gelagert und im stromaufwärts liegenden Bereich der Laufradnabe (1) mit einem Gegengewicht (5) derart fest verbunden siir% daß sie bei niedrigen Anfahrdrehzahlen allein durch cUs jeweilige Gegengewicht (5j und bei normalen Betriebsdrehzahlen zusätzlich durch die dann bestehenden Luftkräfte in einer zur Stellung der ersten Flügel (2) äquivalenten Betriebs-Stellung gegen den ersten Anschlag (6) sowie im Störfall einer externen, den Ventilator unter Beibehaltung seiner Drehrichtung ( ) wie eine Windkraftmaschine antreibenden Druckwelle gegen den zweiten Anschlag (7) gedrückt und dabei im Sinne der Vermeidung der unerwünschten Drehzahlen in eine entsprechende Gegenstellung zu der Stellung der ersten Flügel (2) verdreht sind (Fig. 1 bis 4).

2. Ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß von den am Umfang der Laufradnabe (1) angeordneten Flügeln (2;3) wechselweise jeder zweite Flügel als selbsttätig verdrehbarer flügel (3) ausgebildet ist.

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3. Ventilator mit zur Vermeidung unerwünschter Drehzahlen selbsttätig um eine Längsachse verdrehbaren Flügeln unter Verwendung von Fliehgewichten und mit zumindest einem Anschlag, dadurch g e kennzeichnet, daß die Flügel (4) auf der Laufradnabe (1) des Ventilators jeweils um eine im ersten Viertel ihrer Flügeltiefe liegende Längsachse (41) zwischen einer ersten, durch einen Anschlag (8) begrenzten Betriebs-Stellung und einer zweiten, durch die Nullauftriebsrichtung der Flügel (4) gegebenen Storfall-Stellung frei drehbar gelagert und im stromaufwärts liegenden Bereich ihrer Ventilatornabe (1) mit einem Gegengewicht fest verbunden sind, derart daß sie im normalen Ventilatorbetrieb gegen den Anschlag (Θ) gedrückt und im Störfall einer externen, den Ventilator unter Beibehaltung seiner Drehrichtung wie eine Windkraftmaschine antreibenden Druckwelle selbsttätig in ihre Nullauftriebsrichtung gedreht sind (Fig. 5 bis 8).

4. Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche, an Umfang der Laufradnabe (1) angeordneten Flügel in Ihrem aerodynamischen Teil die gleiche Bauform aufweisen.

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