EP0413987A2 - Axialventilator - Google Patents

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EP0413987A2
EP0413987A2 EP90114295A EP90114295A EP0413987A2 EP 0413987 A2 EP0413987 A2 EP 0413987A2 EP 90114295 A EP90114295 A EP 90114295A EP 90114295 A EP90114295 A EP 90114295A EP 0413987 A2 EP0413987 A2 EP 0413987A2
Authority
EP
European Patent Office
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cover
axial fan
fan according
impeller
channel
Prior art date
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Application number
EP90114295A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0413987B1 (de
EP0413987A3 (en
Inventor
Helmut Prof.Dr.Ing. Fuchs
Andreas Dipl-.Ing. Jacobs
Heinz Dipl-.Ing. Wieland
Ulrich. Dr.Rer.Nat. Ackermann
Joachim Dipl.-Ing. Mohr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gebhardt Ventilatoren GmbH and Co KG
Original Assignee
Gebhardt Ventilatoren GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gebhardt Ventilatoren GmbH and Co KG filed Critical Gebhardt Ventilatoren GmbH and Co KG
Publication of EP0413987A2 publication Critical patent/EP0413987A2/de
Publication of EP0413987A3 publication Critical patent/EP0413987A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0413987B1 publication Critical patent/EP0413987B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/545—Ducts
    • F04D29/547—Ducts having a special shape in order to influence fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/002—Axial flow fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/522—Casings; Connections of working fluid for axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/526—Details of the casing section radially opposing blade tips
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/663—Sound attenuation
    • F04D29/664—Sound attenuation by means of sound absorbing material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/663—Sound attenuation
    • F04D29/665—Sound attenuation by means of resonance chambers or interference

Definitions

  • the invention relates to an axial fan, with an impeller having blades, which is arranged in a flow channel surrounded by a wall.
  • Axial fans contain a bladed impeller inside their housing, which can be rotated by means of a motor.
  • the rotating impeller conveys gaseous medium, in particular air, in the axial direction from the suction side to the pressure side.
  • the throughput referred to as volume flow V ⁇ per unit of time depends, among other things, on the impeller speed.
  • the cross-sectional blockage created there by the detachment causes the flow to evade, and when a critical volume flow, the so-called break-off point, is reached, individual blade channels are suddenly blocked. Because this influences the flow against adjacent blades, the blade channels, which are restricted in terms of their flow, migrate and, in relative terms, run around the impeller against its actual direction of rotation. The result is a strongly pulsating flow, which makes smooth operation in this unstable area impossible. In unfavorable cases, the high bending and bending alternating forces that occur lead to the destruction of the impeller and components of the system operated by the fan. In the partial load range in question, the characteristic curve of the axial fan is characterized by a sudden drop in pressure.
  • the operation of the fan in the specified critical area is also associated with a high level of noise.
  • a problem solution has already been proposed in DE-OS 33 22 295.
  • a bladed ring channel is also provided there, which picks up and is intended to stabilize the separation flow and the swirl contained therein.
  • such a design cannot easily be applied to any impeller geometry. It is very difficult to optimize the blading in the ring channel, which also increases the cost of the fan.
  • the aim of the invention is therefore to create an axial fan in which the formation of a rotating tearing flow is excluded in a simple manner, so that a stable characteristic curve is present over the entire volume flow range.
  • the measures taken for this purpose should be applicable to any axial fans and also to axial compressors.
  • the stated aim is achieved in that at least one opening is provided in or on the wall in the area of the blade, which opening is provided with a cover on the channel side or with a blanking.
  • a flow channel wall provided with at least one opening in the area of the blade tips. It can be designed, for example, as a recess made in the wall from the flow channel.
  • the opening is covered towards the flow channel, the cover used for this purpose having openings.
  • the structural modifications can be carried out inexpensively and can be used with any axial fans. Complicated design work is unnecessary, the opening can advantageously be designed without any blading. Because of the prevention of the breakaway flow, the noise development is considerably reduced, especially in the previously critical operating area.
  • the invention can be advantageously used both in single-stage and in multi-stage fans and compressors.
  • the preferred ring channel width is approximately 20-30% of the impeller diameter, preferably 25%.
  • the ring channel depth is expediently formed depending on the outer contour of the ring channel. If the ring channel is constructed like a ring, a channel depth of approximately 0.1 to 0.5 times the impeller diameter is advantageous. Other ring channel contours can also be expedient, for example square or rectangular when viewed in the axial direction. In this case, the channel depth will preferably be able to assume amounts between 0 and 0.2 times the impeller diameter.
  • the side length of the square is equal to the diameter of the flow channel, so that conceptually there is no longer a continuous ring channel, but only four individual openings, which are diametrically opposed in pairs and in particular two at right angles to each other have other surfaces.
  • Other opening contours are also possible, especially those with round or rounded wall areas.
  • the relative axial position between the impeller and the assigned wall opening can be selected from case to case. It is advantageous if the impeller, as seen in the flow direction, is already partially axially after the assigned opening. A degree of overlap of approx. 50% is advisable here.
  • the wall 1 encloses a flow channel 4.
  • a fan impeller 6 is arranged therein between the suction side 2 and the axially downstream pressure side 5. It is rotatable about its longitudinal axis 7, which coincides with the longitudinal axis 8 of the channel.
  • the rotary drive takes place via a e.g. designed as an electric motor motor 9, the impeller 6 e.g. carries on the motor shaft 10.
  • the motor 9 is also expediently arranged centrally in the flow channel 4, whereby it is located on the wall 1 e.g. can support via schematically indicated radial struts 13.
  • the impeller 6 contains several distributed in the circumferential direction arranged blades 14. Their blade tips 15 lie opposite the cylindrically shaped inner surface 16 of the wall 1 with radially measured play. In operation, the impeller 6 executes a motor-driven rotational movement, for example according to arrow 17, which results in an axial gas flow indicated by arrow 18 from the suction side 2 to the pressure side 5.
  • the gaseous medium is, in particular, air.
  • At least one opening 20 is provided in or on the wall 1 in the area of the blade tips 15. It is towards the flow channel 4, i. H. channel side, provided with a cover 21. This has a plurality of openings 22, via which the opening 20 is connected to the flow channel 4.
  • the fan characteristic curve in FIG. 6 shows the characteristic curve shape V S of a fan according to the prior art (dash-dotted lines) and the characteristic curve shape V E of the fan according to the invention.
  • the pressure increase ⁇ p is plotted on the ordinate, while the volume flow V Volumen is plotted on the abscissa.
  • the pressure drop with decreasing volume flow can be clearly seen in the prior art, while the characteristic curve of the fan according to the invention is stable in this critical area as well as in the entire remaining area.
  • the opening 20, as well as its mouth 24 facing the flow channel 4 preferably extends at least over a partial region of the wall 1 in the circumferential direction thereof.
  • the opening 20 advantageously extends over the entire wall circumference, so that it practically coaxially surrounds the flow channel 4. They can therefore be referred to as ring channel 25.
  • the illustrated annular channel 25 has a simple contour and is inserted into the wall 1 from the inside surface 16 in the manner of an all-round recess. The manufacture is therefore relatively inexpensive. His
  • the cross-sectional shape shown in FIG. 1 is preferably square or rectangular. However, a rounded cross-sectional shape is also possible, for example a circular cross-section, with a flattening or flattening being possible in the region of the mouth 24. Corresponding cross-sectional configurations are possible in any embodiment of the opening 20.
  • the depth b measured in the radial direction of the annular channel 25 'formed in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2 as a circular channel 25' is constant over the entire circumference and is preferably 0.1 to 0.2 times the diameter d of the impeller 6 or Diameter d 'of the flow channel 4th
  • the opening 20 is embedded in the wall 1 in all exemplary embodiments, in other exemplary embodiments it may also be provided on the outside of the wall and e.g. be limited by additional devices. It should also be pointed out that the wall 1 does not have to be formed directly by a housing, it can also be an additional component arranged in the fan, which may also be introduced subsequently into the actual fan flow duct. It is only important that a device is provided in the circumferential area of the impeller which delimits an opening.
  • the cover 21 preferably contains a fine cover 29, which has a plurality of fine or fine-pored openings 22 '.
  • a fabric is particularly suitable as a fine covering, and so-called gauze is preferably used as the fine covering 29, as in the exemplary embodiment.
  • woven material as a fine cover or as a component of the fine cover has the advantage of obtaining a large number of very small openings or openings, such as are present in a screen-like fabric.
  • the mesh size of the fabric can be selected by weaving.
  • the cover 21 can also be a rough cover 30.
  • a cover 21 which, in combination, comprises both a fine cover 29 and a coarse cover 30 at the same time. In the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2, this is the case.
  • the coarse cover 30 contains a plurality of larger openings or holes 22 ⁇ and is preferably designed in the manner of a perforated plate. It can be, for example, a hollow-cylindrical cover strip 31 which has the holes 22 ⁇ . They can be in an irregular and preferably in a regular order. In particular, they are distributed along the circumference of the rough cover 30, which is expediently arranged coaxially to the flow channel 4.
  • coarse cover 30 and fine cover 29 are arranged in succession in the radial direction with respect to the longitudinal axis 7, 8.
  • Both covers 29, 30 are practically band-shaped and have the shape of a thin-walled, hollow cylindrical structure. Both structures are arranged coaxially to one another. Seen in section, this results in a sandwich-like structure, as the enlargement in FIG. 2 clearly shows. Although both ring structures can be spaced apart from one another, it is nevertheless expedient to attach them directly to one another.
  • the coarse cover 30 is expediently coated with the fine cover 29. It has proven to be particularly advantageous to choose the sequence of the arrangement such that the coarse cover faces the flow channel 4, while the fine cover 29 is located on the opening side on the radial outside of the coarse cover 30 facing away from the flow channel 4.
  • the cover 21 is expediently located in the region of the mouth 24 of the respective opening 20. It thereby represents a limitation of the opening 20, which is in particular delimited, in particular, by regions of the wall 1 of the respective opening 20, in particular in such a way that the channel-side cover surface 32 is flush with the inner surface 16.
  • the annular channel 25 can also have an angular circumferential contour.
  • the ring channel 25 ⁇ has an angular outer contour 33 when viewed in the axial direction 7, 8 of the impeller 6 or flow channel 4.
  • a regular corner contour preferably a square.
  • the outer contour 33 of the ring channel 25 ⁇ follows a rectangle, so that the depth measured in the radial direction is variable over the channel length indicated according to arrow 34.
  • the ring channel 25 ⁇ is a space that is delimited on the outer circumference and on the two axial sides by surfaces of a cuboid, while the delimitation on the inner circumference corresponds to a cylinder surface.
  • the outer contour 33 of the ring channel 25 ⁇ corresponds to a square course.
  • the contour lines have in some cases come tangentially to the inner circumference 16 of the flow channel 4, so that an annular channel actually Sense no longer exists. Rather, there are a plurality of individual openings 20 'which follow one another in the circumferential direction of the flow channel 4, with adjacent openings 20' being separated from one another by the contact regions between the outer contour 33 and the inner circumference 16. Corresponding separation areas are indicated at 36 in FIG. 3.
  • each opening 20 ' there are four individual openings 20 ', which are diametrically opposite each other in pairs. Seen in cross section according to FIG. 3, each opening 20 'has a triangular contour, the side facing the flow channel 4 being rounded in accordance with its radius.
  • the depth values vary between 0 and 0.2 times the impeller diameter or the flow channel diameter.
  • the width a of the ring channel 25 measured in the axial direction 7 of the impeller 6 is 0.2 to 0.3 times the impeller diameter d or the flow channel diameter d '.
  • the depth is preferably 25% of the corresponding diameter.
  • FIG. 5 there is no continuous ring channel.
  • the opening-free wall regions 38 are larger in the circumferential direction of the flow channel 4.
  • the at least one opening 20 can be arranged in a diametrical plane which coincides with that of the impeller 6. Such an arrangement is indicated by dashed lines at 38 in FIG. 1. In preferred embodiments, however, the impeller is offset in the axial direction with respect to the diametral plane of the associated opening 20. In the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2, the impeller 6 or the blade tips 15 are or are at least partially axially next to the opening 20. The impeller 6 is therefore partially axially outside the opening 20 or the annular channel 25.
  • the covers of the openings 20 are not shown for the sake of simplicity. Their structure can correspond to that described under FIGS. 1 and 2. Depending on whether there is a continuous ring channel or individual openings, closed, ring-shaped covers or individual covers can be used. The covers can also be designed without openings and solely by their shape, e.g. provide the necessary openings through their edge course, together with the surrounding areas of the wall 1 by release.

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Abstract

Es handelt sich um einen Axialventilator, der ein mit Laufschaufeln (14) versehenes Laufrad (6) enthält, das in einem von einer Wand (1) umgebenen Strömungskanal (4) angeordnet ist. In oder an der Wand (1) ist im Bereich der Schaufelspitzen (15) mindestens eine Öffnung vorgesehen, die kanalseitig mit einer Durchbrechungen (22) aufweisenden Abdeckung (21) versehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Axialventilator, mit einem Laufschaufeln aufweisenden Laufrad, das in einem von einer Wand umgebenen Strömungskanal angeordnet ist.
  • Axialventilatoren enthalten im Innern ihres Gehäuses ein beschaufeltes Laufrad, das mittels eines Motors in Rotation versetzbar ist. Das rotierende Laufrad fördert gasförmiges Medium, insbesondere Luft, in Axialrichtung von der Saugseite zur Druckseite. Der als Volumenstrom V̇ bezeichnete Durchsatz pro Zeiteinheit hängt unter anderem von der Laufrad-Drehzahl ab.
  • Das Betriebsverhalten bekannter Axialventilatoren wird bei zunehmender Drosselung des Volumenstromes instationär. Bei Unterschreitung eines maschinenabhängigen Mindest­wertes beginnt die Strömung im Ventilator abzureißen. Als Folge bildet sich eine als "rotating stall" bezeich­nete rotierende Abreißströmung aus. Die Ablösung der Strömung am Schaufelprofil, die sich bei stark verminderter Durchtrittsgeschwindigkeit einstellt, tritt nicht an allen Profilen gleichzeitig auf. Zunächst entsteht eine gewisse Ablösezone auf der Schaufelsaugseite. Der sich dadurch bildende Totraum ist gekennzeichnet durch starke innere Verwirbelungen, die mit einem hohen Energieverlust verbunden sind. Die dort durch die Ablösung entstehende Querschnittsversperrung bewirkt ein Ausweichen der Strö­mung, und bei Erreichen eines kritischen Volumenstromes, dem sogenannten Abrißpunkt, werden schlagartig einzelne Schaufelkanäle verstopft. Weil dadurch die Anströmung benachbarter Schaufeln beeinflußt wird, wandern die hin­sichtlich ihrer Durchströmung behinderten Schaufelkanäle und laufen, relativ gesehen, um das Laufrad entgegen dessen eigentlicher Drehrichtung. Als Resultat ergibt sich so eine stark pulsierende Strömung, die einen reibungs­losen Betrieb in diesem instabilen Bereich unmöglich macht. In ungünstigen Fällen führen die auftretenden hohen Biege- und Biegewechselkräfte zu einer Zerstörung des Laufrades und von Bauteilen der mit dem Ventilator betriebenen Anlage. In dem betreffenden Teillastbereich ist die Kennlinie des Axialventilators durch einen sprung­haften Druckabfall gekennzeichnet.
  • Der Betrieb des Ventilators in dem angegebenen kritischen Bereich ist außerdem mit einer starken Geräuschentwicklung verbunden.
  • Weil sich der Beginn des instabilen Betriebsbereiches meistens nur wenig entfernt vom optimalen Betriebspunkt befindet, muß die Auslegung besonders sorgfältig und mit hohem Aufwand vorgenommen werden.
  • Es wurde bereits in der DE-OS 33 22 295 eine Problem­lösung vorgeschlagen. Dort wird zusätzlich ein beschaufelter Ringkanal vorgesehen, der die Ablösungsströmung und den in ihr enthaltenen Drall aufnimmt und stabilisieren soll. Allerdings kann eine solche Ausführung nicht ohne weiteres auf beliebige Laufradgeometrien angewandt werden. Es ist sehr schwierig, die Beschauflung im Ringkanal zu optimieren, die dazuhin eine erhebliche Verteuerung des Ventilators bewirkt.
  • Das Ziel der Erfindung ist es daher, einen Axialventi­ator zu schaffen, bei dem auf einfache Weise die Ent­stehung einer rotierenden Abtreißströmung ausgeschlossen ist, so daß eine über den gesamten Volumenstrombereich stabile Kennlinie vorliegt. Außerdem sollen die dazu getroffenen Maßnahmen problemlos bei beliebigen Axial­ventilatoren und auch bei Axialverdichtern anwendbar sein.
  • Das genannte Ziel wird dadurch erreicht, daß in oder an der Wand im Bereich der Schaufel spitzen mindestens eine Öffnung vorgesehen ist, die kanalseitig mit einer Durchbrechungen aufweisenden oder freilassenden Abdeckung versehen ist. Anstelle einer üblicherweise glatten Wand des das Laufrad enthaltenden Strömungskanals des Axial­ verdichters ist jetzt eine im Bereich der Schaufelspitzen mit mindestens einer Öffnung versehene Strömungskanal­wand vorhanden. Sie kann z.B. als vom Strömungskanal ausgehend in die Wand eingebrachte Vertiefung ausgebildet sein. Zum Strömungskanal hin ist die Öffnung abgedeckt, wobei die hierzu verwendete Abdeckung Durchbrechungen aufweist. Die Folge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist ein äußerst konstanter Kennlinienverlauf, unabhängig von der Intensität der jeweils vorgenommenen Drosselung. Auch bei sehr niedrigen Volumenstrombeträgen wird die Entstehung von "rotating stall" verhindert. Dabei ist der gegenüber einem konventionellen Ventilator erforder­liche Aufwand relativ gering. Die baulichen Abwandlungen sind kostengünstig vornehmbar und können bei beliebigen Axialventilatoren angewandt werden. Komplizierte Auslegungs­arbeiten erübrigen sich, vorteilhafterweise kann die Öffnung völlig unbeschaufelt ausgebildet sein. Wegen der verhinderten Entstehung der Abreißströmung reduziert sich die Geräuschentwicklung insbesondere in dem bisher kritischen Betriebsbereich beträchtlich. Die Erfindung läßt sich vorteilhaft sowohl bei einstufigen als auch bei mehrstufigen Ventilatoren und Verdichtern anwenden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Als besonders zweckmäßig hat es sich herausgestellt, eine über den Umfang des Laufrades durchgehende Öffnung vorzusehen, die nach Art eines Ringspaltes oder Ring­ kanales ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist es ferner, die Abdeckung in Kombination aus einer Grobabdeckung und einer Feinabdeckung auszugestalten. Beide Abdeckungen werden vorteilhafterweise aufeinanderfolgend und insbe­sondere aneinander anliegend angeordnet, so daß ein sand­wichartiger Aufbau erzielt wird. Die Grobabdeckung ist bevorzugt dem Strömungskanal zugewandt, während in diesem Falle die Feinabdeckung radial weiter außen öffnungs­seitig vorgesehen ist. Eine besonders günstige Abdeckungs­kombination ergibt sich, wenn als Grobabdeckung eine Art Lochblech und als Feinabdeckung eine feine Gaze ver­wendet wird.
  • Die bevorzugte Ringkanalbreite beträgt ca. 20 - 30 % des Laufraddurchmessers, vorzugsweise 25 %. Die Ringkanal­tiefe wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der äußeren Kontur des Ringkanals ausgebildet. Wenn der Ring­kanal kreisringartig aufgebaut ist, ist eine Kanaltiefe von ca. dem 0,1- bis 0,5-fachen des Laufraddurchmessers vorteilhaft. Auch andere Ringkanalkonturen können zweck­mäßig sein, in Axialrichtung gesehen z.B. quadratisch oder rechteckig. Die Kanaltiefe wird in diesem Falle vorzugsweise Beträge zwischen 0 und dem 0,2-fachen des Laufraddurchmessers einnehmen können. Im Grenzfall ist die Seitenlänge des Quadrates gleich dem Durchmesser des Strömungskanals, so daß begrifflich kein durchgehender Ringkanal mehr vorhanden ist, sondern nur noch vier Einzel­öffnungen, die sich jeweils paarweise diametral gegen­überliegen und insbesondere zwei rechtwinkelig zuein­ ander verlaufende Flächen besitzen. Auch andere Öffnungs­konturen sind möglich, insbesondere solche mit runden bzw. abgerundeten Wandbereichen.
  • Die relative Axialposition zwischen Laufrad und zugeord­neter Wandöffnung ist von Fall zu Fall wählbar. Von Vorteil ist es, wenn sich das Laufrad in Strömungsrichtung ge­sehen bereits zum Teil axial nach der zugeordneten Öffnung befindet. Ein Überlappungsgrad von ca. 50 % ist hier zweckmäßig.
  • Es ist denkbar, auch bereits betriebsbereite Ventilatoren mit der erfindungsgemäßen Maßnahme nachzurüsten. Hierzu können z.B. in die den Strömungskanal umgebende Wand bzw. das Ventilatorgehäuse im Schaufelspitzenbereich Öffnungen eingeschnitten werden, über die dann die Fein­abdeckung und weitere äußere Gehäuseabdeckungen gesetzt werden. Letztere können dabei gleichzeitig die Aufgabe von Gehäusefüßen übernehmen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
    • Fig. 1 eine erste Bauform des erfindungsgemäßen Axial­ventilators im Längsschnitt in schematischer Darstellung,
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch den Ventilator aus Fig. 1 entlang Schnittlinie II-II,
    • Fig. 3-5 in ebenfalls schematischer Darstellung und unter Weglassung des Laufrades verschiedene weitere Ausführungsformen des Axialventilators und
    • Fig. 6 einen Kennlinienvergleich zwischen einem Venti­lator nach dem Stand der Technik und dem er­findungsgemäßen Axialventilator.
  • Von dem in den Fig. 1 und 2 nur schematisch und ausschnitts­weise dargestellten Axialventilator erkennt man zunächst eine hohlzylindrische Wand 1, die z.B. gleichzeitig das Ventilatorgehäuse bildet. An der Saugseite 2 ist sie innen trichterförmig unter Bildung der Einlaufdüse 3 geformt.
  • Die Wand 1 umschließt einen Strömungskanal 4. Darin ist, zwischen der Saugseite 2 und der axial nachgeordneten Druckseite 5, ein Ventilator-Laufrad 6 angeordnet. Es ist um seine Längsachse 7 drehbar, die mit der Kanal-­Längsachse 8 zusammenfällt. Der Drehantrieb erfolgt über einen z.B. als Elektromotor ausgebildeten Motor 9, der das Laufrad 6 z.B. auf der Motorwelle 10 trägt.
  • Auch der Motor 9 ist zweckmäßigerweise im Strömungskanal 4 zentral angeordnet, wobei er sich an der Wand 1 z.B. über schematisch angedeutete Radialstreben 13 abstützen kann.
  • Das Laufrad 6 enthält mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Laufschaufeln 14. Deren Schaufelspitzen 15 liegen der zylindrisch geformten Innenoberfläche 16 der Wand 1 mit radial gemessenem Spiel gegenüber. Im Betrieb führt das Laufrad 6 eine motorgetriebene Rotationsbewegung z.B. gemäß Pfeil 17 aus, wodurch sich eine gemäß Pfeil 18 angedeutete axiale Gasströmung von der Saugseite 2 zur Druckseite 5 einstellt. Bei dem gasförmigen Förder­medium handelt es sich insbesondere um Luft.
  • Um dem Phänomen des sogenannten "rotating stall" vorzu­beugen, das auch als rotierende Abreißströmung bezeichnet werden kann, ist in oder an der Wand 1 im Bereich der Schaufelspitzen 15 mindestens eine Öffnung 20 vorgesehen. Sie ist zum Strömungskanal 4 hin, d. h. kanalseitig, mit einer Abdeckung 21 versehen. Diese weist eine Mehrzahl von Durchbrechungen 22 auf, über die die Öffnung 20 mit dem Strömungskanal 4 in Verbindung steht.
  • Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß auch in Betriebs­phasen mit stark gedrosseltem Volumenstrom eine praktisch ablösungsfreie Umströmung der Laufschaufeln 14 erfolgt. Dadurch bleiben die für die Durchströmung des Förder­mediums zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitte in den einzelnen Schaufelkanälen zwischen jeweils zwei einander in Umfangsrichtung benachbarten Laufschaufeln 14 konstant unverändert und erfahren keine Querschnitts­verringerung. Auch bei hoher Drosselung ist das Betriebs­verhalten stabil, es treten weder Wechselbelastungen für die Laufradbestandteile noch Lärmbelästungen auf.
  • Die Lebensdauer des Axialventilators steigt um ein be­trächtliches Maß. Auch der Wirkungsgrad wird mangels verlustbehafteter Strömung gesteigert.
  • Die Ventilator-Kennlinie in Fig. 6 zeigt zum Vergleich den Kennlinienverlauf VS eines Ventilators gemäß Stand der Technik (strichpunktiert) und den Kennlinienverlauf VE des erfindungsgemäßen Ventilators. Auf der Ordinate ist die Druckerhöhung Δp aufgezeichnet, während über die Abszisse der Volumenstrom V̇ aufgetragen ist. Man erkennt deutlich den Druckabfall bei absinkendem Volumen­strom beim Stand der Technik, während die Kennlinie des erfindungsgemäßen Ventilators auch in diesem kritischen Bereich wie im gesamten übrigen Bereich stabil ist.
  • Zurückkommend auf die Fig. 1 und 2 erkennt man, daß sich die Öffnung 20 wie auch ihre zum Strömungskanal 4 ge­wandte Mündung 24 vorzugsweise mindestens über einen Teilbereich der Wand 1 in deren Umfangsrichtung erstreckt. Im Gegensatz zu anderen, später noch erläuterten Aus­führungsformen erstreckt sich die Öffnung 20 vorteil­hafterweise über den gesamten Wandumfang, so daß sie den Strömungskanal 4 praktisch koaxial umgibt. Man kann sie demzufolge als Ringkanal 25 bezeichnen.
  • Der abgebildete Ringkanal 25 ist von einfacher Kontur und nach Art eines rundum laufenden Einstiches von seiten der Innenoberfläche 16 in die Wand 1 eingebracht. Die Herstellung ist deshalb relativ kostengünstig. Seine in Fig. 1 ersichtliche Querschnittsform ist bevorzugt quadratisch oder rechteckig. Es ist aber auch eine ge­rundete Querschnittsform möglich, z.B. ein Kreisquer­schnitt, wobei im Bereich der Mündung 24 eine Abplattung oder Abflachung vorliegen kann. Entsprechende Querschnitts­gestaltungen sind bei jeglicher Ausführungsform der Öff­nung 20 möglich.
  • Die in Radialrichtung gemessene Tiefe b des beim Aus­führungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 als Kreisringkanal 25′ ausgebildeten Ringkanals 25 ist über den gesamten Umfang konstant und beträgt vorzugsweise das 0,1- bis 0,2-fache des Durchmessers d des Laufrades 6 oder des Durchmessers d′ des Strömungskanals 4.
  • Während die Öffnung 20 bei allen Ausführungsbeispielen in die Wand 1 eingelassen ist, kann sie bei anderen Aus­führungsbeispielen unter Umständen auch außen an der Wand vorgesehen und z.B. von Zusatzeinrichtungen begrenzt sein. Auch sei darauf hingewiesen, daß die Wand 1 nicht unmittelbar von einem Gehäuse gebildet sein muß, bei ihr kann es sich auch um ein im Ventilator angeordnetes Zusatzbautei handeln, das eventuell auch nachträglich in den eigentlichen Ventilator-Strömungskanal eingebracht wird. Wichtig ist lediglich, daß im Umfangsbereich des Laufrades eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine Öff­nung begrenzt.
  • Die Abdeckung 21 enthält vorzugsweise eine Feinabdeckung 29, die eine Vielzahl feiner bzw. feinporiger Durchbrechungen 22′ aufweist. Als Feinabdeckung kommt insbesondere ein Gewebe in Frage, und bevorzugt wird, wie beim Ausführungs­beispiel, als Feinabdeckung 29 sogenannte Gaze verwendet.
  • Die Verwendung gewobenen Materials als Feinabdeckung oder als Bestandteil der Feinabdeckung hat den Vorteil des Erhalts einer Vielzahl sehr kleiner Öffnungen bzw. Durchbrechungen, wie sie bei einem siebartigen Gewebe vorliegen. Je nach Bedarf läßt sich durch Webart die Maschenweite des Gewebestoffes auswählen.
  • Alternativ zur Feinabdeckung 29 kann die Abdeckung 21 auch eine Grobabdeckung 30 sein. Als besonders vorteil­haft hat es sich jedoch herausgestellt, eine Abdeckung 21 zu verwenden, die in Kombination sowohl eine Fein­abdeckung 29 als auch eine Grobabdeckung 30 gleichzeitig umfaßt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 ist dies der Fall.
  • Die Grobabdeckung 30 enthält eine Mehrzahl größerer Durch­brechungen oder Löcher 22˝ und ist vorzugsweise nach Art eines Lochbleches ausgebildet. Es kann sich z.B. um ein hohlzylindrisch geformtes Abdeckband 31 handeln, das die Löcher 22˝ aufweist. Sie können in unregelmäßiger und vorzugsweise in regelmäßiger Folge vorliegen. Insbe­sondere sind sie entlang des Umfanges der Grobabdeckung 30 verteilt, die zweckmäßigerweise koaxial zum Strömungs­kanal 4 angeordnet ist.
  • Beim Ausführungsbeispiel sind Grobabdeckung 30 und Fein­abdeckung 29 in Radialrichtung mit Bezug zur Längsachse 7,8 aufeinanderfolgend angeordnet. Beide Abdeckungen 29,30 sind praktisch bandförmig ausgebildet und haben die Gestalt eines dünnwandigen, hohlzylindrischen Gebildes. Beide Gebilde sind koaxial zueinander angeordnet. Im Schnitt gesehen ergibt sich dadurch ein sandwichartiger Aufbau, wie die Vergrößerung in Fig. 2 deutlich macht. Obwohl beide Ringgebilde einander gegenüber beabstandet sein können, ist es doch zweckmäßig, sie unmittelbar aneinander anzubringen. Zweckmäßigerweise wird man die Grobabdeckung 30 mit der Feinabdeckung 29 beschichten. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Reihen­folge der Anordnung so zu wählen, daß die Grobabdeckung dem Strömungskanal 4 zugewandt ist, während sich die Feinabdeckung 29 öffnungsseitig an der dem Strömungskanal 4 abgewandten radialen Außenseite der Grobabdeckung 30 befindet.
  • Zweckmäßigerweise befindet sich die Abdeckung 21 im Be­reich der Mündung 24 der jeweiligen Öffnung 20. Sie stellt dadurch eine Begrenzung der andererseits insbesondere von Bereichen der Wand 1 begrenzten Öffnung 20 dar. Um die Strömung 18 möglichst nicht negativ zu beeinflussen, kann die Abdeckung 21 versenkt in der jeweiligen Öffnung 20 angeordnet sein, insbesondere dergestalt, daß die kanalseitige Abdeckungsoberfläche 32 bündig mit der Innen­oberfläche 16 verläuft.
  • Die Art und Weise der Befestigung der Abdeckung 21 im Bereich der Öffnung 20 ist in den Zeichnungen nicht näher dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß bei Bedarf erforderliche Befestigungseinrichtungen vorgesehen werden können. Für Wartungszwecke ist es günstig, die Abdeckung 21 auswechselbar z.B. an der Wand 1 zu befestigen.
  • Anstelle als Kreisringkanal wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 kann der Ringkanal 25 auch eine eckige Umfangskontur haben. Hierzu sei beispielhaft auf die Fig. 4 verwiesen, bei der der Ringkanal 25˝ in Axial­richtung 7,8 des Laufrades 6 bzw. Strömungskanals 4 ge­sehen eine eckige Außenkontur 33 aufweist. Zweckmäßiger­weise handelt es sich um eine regelmäßige Eckkontur, vorzugsweise ein Viereck. Bei der abgebildeten bevor­zugten Ausführungsform folgt die Außenkontur 33 des Ring­kanals 25˝ einem Rechteck, so daß die in Radialrichtung gemessene Tiefe über die gemäß Pfeil 34 angedeutete Kanal­länge veränderlich ist. Als Ringkanal 25˝ liegt ein Raum vor, der am Außenumfang und an den beiden Axial­seiten von Flächen eines Quaders begrenzt wird, während die Begrenzung am Innenumfang einer Zylinderfläche ent­spricht.
  • Bei dem in Fig. 3 abgebildeten Sonderfall entspricht die Außenkontur 33 des Ringkanals 25˝ einem quadratischen Verlauf. Allerdings sind die Konturlinien stellenweise tangential an den Innenumfang 16 des Strömungskanals 4 herangetreten, so daß ein Ringkanal im eigentlichen Sinne nicht mehr vorliegt. Vielmehr ergeben sich mehrere, in Umfangsrichtung des Strömungskanals 4 aufeinander­folgende Einzelöffnungen 20′, wobei benachbarte Öffnungen 20′ durch die Berührbereiche zwischen Außenkontur 33 und Innenumfang 16 voneinander getrennt sind. Entsprechende Trennbereiche sind in Fig. 3 bei 36 angedeutet.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 liegen vier Einzel­öffnungen 20′ vor, die einander jeweils paarweise dia­metral gegenüberliegen. Im Querschnitt gemäß Fig. 3 ge­sehen hat jede Öffnung 20′ eine dreieckförmige Kontur, wobei die dem Strömungskanal 4 zugewandte Seite entspre­chend dessen Radius abgerundet ist.
  • Je nach Außenkontur des "Ringkanals" können auch mehr oder weniger Einzelöffnungen 20′ entstehen.
  • Die Tiefe des "Ringkanals" 25˝ gemäß Fig. 3 ändert sich über den Verlauf seines Umfanges 34. Vorteilhaft ist hierbei, wenn die Tiefenwerte zwischen 0 und dem 0,2-­fachen des Laufrad-Durchmessers oder des Strömungskanal-­Durchmessers variieren.
  • Unabhängig vom jeweiligen Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, wenn die in Axialrichtung 7 des Laufrades 6 gemessene Breite a des Ringkanals 25 das 0,2- bis 0,3-­fache des Laufrad-Durchmessers d oder Strömungskanal-­Durchmessers d′ beträgt. Vorzugsweise beträgt die Tiefe 25 % des entsprechenden Durchmessers.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 liegt kein durch­gehender Ringkanal vor. Hier sind, wie beim Ausführungs­beispiel gemäß Fig. 3, mehrere Einzelöffnungen 20 20′ entlang des Umfanges des Laufrades 6 verteilt in der Wand 1 ange­ordnet. Als Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind die öffnungslosen Wandbereiche 38 in Umfangs­richtung des Strömungskanals 4 gemessen größer. Die einzel­nen Öffnungen 20′ sind dadurch deutlicher voneinander abgesetzt. Außerdem besteht hier die Außenkontur 37 der Öffnungen 20′ aus einer kontinuierlichen, gerundeten Fläche, insbesondere kreisbogenförmig gekrümmt.
  • Bei allen Ausführungsbeispielen sind identische oder entsprechende Bauteile mit identischen Bezugszeichen versehen worden. Wenn von "Außenkontur" die Rede ist, wird jeweils Bezug genommen auf nach außen gerichtete Bereiche in bezug auf die Längsachse 7,8.
  • Die mindestens eine Öffnung 20 kann in einer Diametral­ebene angeordnet sein, die mit derjenigen des Laufrades 6 zusammenfällt. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 1 bei 38 gestrichelt angedeutet. Bei bevorzugten Aus­führungsformen ist das Laufrad allerdings in Axialrichtung gegenüber der Diametralebene der zugeordneten Öffnung 20 versetzt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 befindet bzw. befinden sich das Laufrad 6 bzw. die Schaufelspitzen 15 zumindest zum Teil axial neben der Öffnung 20. Das Laufrad 6 befindet sich also zum Teil axial außerhalb der Öffnung 20 bzw. des Ringkanals 25.
  • Hierbei befindet es sich zweckmäßigerweise in dem druck­seitigen Endbereich der Öffnung 20. Als bevorzugter Wert hat sich ergeben, den Überlappungsgrad so zu wählen, daß sich das Laufrad zu 50 % im Öffnungsbereich und zu 50 % außerhalb des Öffnungsbereiches befindet.
  • Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 bis 5 sind die Abdeckungen der Öffnungen 20 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Ihr Aufbau kann demjenigen des unter den Fig. 1 und 2 Beschriebenen entsprechen. Je nachdem, ob ein durchgehender Ringkanal oder Einzelöffnungen vor­liegen, können in sich geschlossene, ringförmige Abdeckun­gen oder Einzelabdeckungen Verwendung finden. Die Ab­deckungen können auch durchbrechungslos ausgebildet sein und allein durch ihre Formgebung, z.B. durch ihren Rand­verlauf, zusammen mit den umgebenden Bereichen der Wand 1 durch Freilassung die erforderlichen Durchbrechungen bereitstellen.

Claims (20)

1. Axialventilator, mit einem Laufschaufeln aufweisenden Laufrad, das in einem von einer Wand umgebenen Strömungs­kanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in oder an der Wand (1) im Bereich der Schaufelspitzen (15) mindestens eine Öffnung (20) vorgesehen ist, die kanal­seitig mit einer Durchbrechungen (22) aufweisenden oder freilassenden Abdeckung (21) versehen ist.
2. Axialventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß die Abdeckung (21) eine feine oder feinporige Durchbrechungen (22′) aufweisende Feinabdeckung (29) ist.
3. Axialventilator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Abdeckung (21) eine ein Gewebe umfassen­de Feinabdeckung (29) aufweist.
4. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (21) eine Gaze enthaltende und insbesondere aus Gaze bestehende Fein­abdeckung (29) aufweist.
5. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (21) eine Grob­abdeckung (30) mit einer Mehrzahl von Löchern (22,22′) aufweist.
6. Axialventilator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grobabdeckung (30) lochblechartig oder gitter­artig ausgestaltet ist.
7. Axialventilator nach Anspruch 5 oder 6, jeweils in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Abdeckung (21) in aufeinanderfolgender Anordnung eine Grobabdeckung (30) und eine Feinabdeckung (29) enthält, wobei zweckmäßigerweise die Grobabdeckung (30) kanalseitig und die Feinabdeckung (29) öffnungsseitig angeordnet ist.
8. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (21) im Mündungs­bereich (24) der Öffnung (20) zum Strömungskanal (4) angeordnet ist.
9. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Öffnung (20) und insbesondere auch ihre zum Strömungskanal (4) gerichtete Mündung (24) mindestens über einen Teilumfangsbereich der Wand (1) erstrecken.
10. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere mit Abdeckungen (21) versehene Öffnungen (20,20′) entlang des Umfanges des Laufrades (6) verteilt angeordnet sind, z.B. vier sich jeweils paarweise diametral mit Bezug zur Drehachse (7) des Laufrades (6) gegenüberliegende Öffnungen (20′).
11. Axialventilator nach Anspruch 10, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Außenkontur (37) der Öffnungen (20,20′), in Axialrichtung (7) des Laufrades (6) gesehen, rund oder eckig ausgebildet ist.
12. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Öffnung (20) über den gesamten Umfang der Wand (1) bzw. des Strömungskanals (4) erstreckt und einen mit der Abdeckung (21) versehenen Ringkanal (25) bildet.
13. Axialventilator nach Anspruch 12, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Ringkanal (25) ein Kreisringkanal (25′) ist.
14. Axialventilator nach Anspruch 13, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Kanal tiefe (b) zumindest in etwa das 0,1- bis 0,2-fache des Laufraddurchmessers (d) beträgt.
15. Axialventilator nach Anspruch 12, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Ringkanal (25,25˝), in Axialrichtung (7) des Laufrads (6) gesehen, eine eckige und insbesondere viereckige Außenkontur aufweist, die zweckmäßigerweise quadratisch oder rechteckig ist.
16. Axialventilator nach Anspruch 15, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Außenkontur (33) des Ringkanals (25˝) stellenweise tangential an den Innenumfang (16) des Strö­mungskanals (4) herantritt, bei quadratischer bzw. recht­eckiger Außenkontur zweckmäßigerweise an zwei oder vier einander jeweils paarweise diametral gegenüberliegenden Stellen (36).
17. Axialventilator nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (b) des Ringkanals (25˝) je nach Stelle seines Umfanges zumindest in etwa Werte zwischen 0 und dem 0,2-fachen des Laufraddurchmessers (d) einnimmt.
18. Axialventilator nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die in Axialrichtung (7) des Laufrades (6) gemessene Breite (a) des Ringkanals (25) zumindest in etwa das 0,2- bis 0,3-fache und vorzugs­weise das 0,25-fache des Laufraddurchmessers (d) beträgt.
19. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (20) bzw. Öff­nungen (20′) dem Laufrad radial außerhalb gegenüberliegen und zweckmäßigerweise in einer gemeinsamen Diametral­ebene mit diesem angeordnet sind.
20. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (20) bzw. Öffnungen (20′) mit Bezug zum Laufrad (6) axial versetzt angeordnet sind, derart, daß die Schaufelspitzen (15) zumindest zum Teil axial neben den Öffnungen angeordnet sind, z.B. um einen Betrag von etwa 50 % ihrer in Axialrichtung (7) des Laufrades (6) gemessenen Breite.
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