EP1447568A2 - Lauf- und Leiträder für Verdichter und Ventilatoren - Google Patents

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EP1447568A2
EP1447568A2 EP04000093A EP04000093A EP1447568A2 EP 1447568 A2 EP1447568 A2 EP 1447568A2 EP 04000093 A EP04000093 A EP 04000093A EP 04000093 A EP04000093 A EP 04000093A EP 1447568 A2 EP1447568 A2 EP 1447568A2
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EP
European Patent Office
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impeller
solid matrix
stator
fans
flow channels
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EP04000093A
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EP1447568A3 (de
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Klaus Dr.-Ing. habil. Döge
Uwe Prof. Dr.-Ing. Franzke
Ralph Dr.-Ing. Krause
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Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Original Assignee
Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
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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
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/38—Blades
    • 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
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/30—Vanes
    • 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

Definitions

  • the invention relates to impellers and idlers for turbomachines, especially for compressors and fans.
  • standing flow guide devices so-called guide wheels, equipped with individual guide vanes are used to improve the transmission of work and the efficiency in fans and compressors.
  • the blades of the impellers and idlers have an entry or leading edge and an exit or trailing edge.
  • the surfaces of the blades between the front and rear edges are called the pressure side and the suction side.
  • the mean pressure on the pressure side of the blades is greater than on the suction side, which means that forces act on the blades. These forces are equal to the forces exerted by the rotor blades and guide vanes on the flow and which lead to changes in the swirl and transfer of work in the fans and compressors.
  • the rotor blades are attached to a hub with an axial, diagonal or radial contour.
  • the blades On the outer side opposite the impeller hub, the blades can be connected and fastened via a ring, the shroud. In the case of diagonal and centrifugal fans and compressors, this ring is called the cover disk.
  • the guide wheels and the impellers are enclosed on the outside by a housing.
  • the stator hub can be continued upstream and downstream through a fixed housing.
  • the gaps between the impeller or stator and housing are made as small as possible in the interest of small flow losses.
  • the impellers are usually driven by an electric motor via the impeller hub.
  • the second group of measures mainly focuses on damping the resulting noises. This group is also called passive measures.
  • Fluidically favorable fans and compressors with a large pressure increase and large volume flow at a given speed and diameter often do not have a stable characteristic.
  • the characteristic curve determined by plotting the pressure increase as a function of the volume flow, does not fall monotonically with increasing volume flow. This property is caused by uneven tearing on the rotor or guide blades - rotating tearing - and leads to a drop in efficiency, increased sound radiation and additional mechanical stress on the blades. For this reason, fans must not be operated in an unstable operating range.
  • Various stabilization devices are known for preventing unstable operation.
  • the invention is therefore based on the object impellers and guide wheels for axial, to develop diagonal and radial fans or compressors that one significantly lower specific sound power level than conventional ones Have fans or compressors.
  • the aim is also to improve the stability of the characteristic curve.
  • the object is achieved by impellers and guide wheels for turbomachines, in particular for compressors and fans, which are formed from a solid matrix with a large number of flow channels in order to reduce flow noise and to improve the stability of the characteristic curve between the inlet and outlet cross sections for the flow, in which the flow is redirected and the associated pressure increase.
  • the solid matrix not isotropically constructed from segments spaced from one another, by which are the flow channels for the fluid.
  • the segments are, for example, polygonal in the direction of flow Cross sections and are formed from ribbons.
  • the segments are also advantageously designed with a honeycomb, square or trapezoidal cross section.
  • the segments are preferably formed by strips made of plastic or metal or produced in a casting process.
  • the solid matrix consists of isotropic porous materials which have flow channels for the fluid.
  • Foams are advantageously used as porous materials, and metal or plastic foams are particularly suitable.
  • Solid matrix from fibrous structures or also from across Arrows arranged in the direction of flow Solid matrix from fibrous structures or also from across Arrows arranged in the direction of flow.
  • the success according to the invention is also achieved if the solid matrix in Flow direction is made up of at least two layers, the first layer of fibrous structures or of isotropic porous material is executed and the second layer is formed from segments.
  • One in particular in terms of minimizing flow noise advantageous embodiment of the invention is that the flow channels to enable partial pressure equalization in radial or Circumferential direction and the associated reduction in noise pollution are partially connected.
  • the impellers and guide wheels according to the invention are because of their Characteristic curve stability used especially in smoke extract fans.
  • the concept of the invention is also because of the smaller Noise level used for computer fans.
  • As another exemplary use case is use of the concept for To name steam turbo compressors.
  • Fig. 1 shows an axial fan 23 with impeller 1, stator 2 and impeller hub 3 for fastening the impeller 1 on the shaft of the drive motor 5, which is usually designed as an electric motor.
  • the guide vanes have the task of holding the drive motor 5 in the housing 6.
  • the stator 2 is limited on the inside by a stator hub 4.
  • the shaft of the drive motor is designated 22.
  • impellers and idlers made from a solid matrix of preferably finely structured material are used instead of the usual impellers and idlers with profiled twisted individual blades.
  • the wall thicknesses of the materials forming the segments can be chosen to be very small.
  • the force of the blades on the flow in conventional fans is thus divided into many small segments or "structural elements" of the matrix.
  • the structure results in a very high strength of the impeller and stator 1, 2.
  • support elements are integrated into the impeller and stator 1, 2.
  • the segments In the flow direction 11, the segments have polygonal cross sections, honeycomb-like cross sections 15 or square or trapezoidal cross sections.
  • the segments are formed by bands 19 made of plastic or metal. All struts, webs, brackets, etc. should also be off structured material or be integrated into this. Farther the direction of the inflow 11 of the fluid and the axis of rotation is shown 10 of the motor shaft of the drive motor 5 and the impeller 1.
  • the impellers and guide wheels 1, 2 are formed from isotropic foams to reduce running or flow noises.
  • the isotropic foams are advantageously designed as metal or plastic foams.
  • the design of the impellers and guide wheels 1, 2 is also advantageous fibrous structures 14.
  • FIG. 2 is a detail of the view of the axial fan in Flow direction 11 shown enlarged.
  • the structure from the segments arises, for example, by winding and connecting a tape 19 prefabricated webs 20.
  • the division of the structure is in the case of strong swirl changes mostly larger in radial direction than in Circumferential direction because the losses of the secondary flow with the deflection and with the aspect ratio of the cells in the radial direction and in Grow circumferentially. You can in the radial and circumferential directions Have passage openings, resulting in a speed and Radial and circumferential pressure compensation is used.
  • Fig. 3 arises from a coaxial section and its processing in one Level.
  • To illustrate the cutting geometry is the Inflow direction 11 and the direction of rotation 12 of the impeller 1 indicated.
  • the Flow channels 21 can, as shown, be continuous or from put together several sections.
  • the dimensions of the Flow channels 21 are to be selected so that laminar boundary layers are formed Reynolds numbers just below the changeover to turbulent boundary layers to adjust.
  • Fig. 4 shows an axial fan with an intake nozzle.
  • two different layers of structures are used in the impeller 1 according to this advantageous embodiment of the invention. The same is possible with stator 2.
  • the first layer in the inflow direction 11 has a fibrous isotropic structure 14 to minimize the impact losses at the wheel entry.
  • the adjoining second layer at the wheel outlet is formed from a honeycomb structure 15 and is advantageous for reducing the friction losses.
  • the fibrous isotropic structure 14 enables radial flow compensation.
  • the centrifugal and centripedal channel guidance in the structures of impeller and guide wheel 1, 2 can advantageously be used to achieve a desired radial pressure and speed distribution.
  • the suction nozzle 13 has a very small radius of curvature.
  • a shroud 7 is used, which also holds the various layers together.
  • Fig. 5 shows in a developed coaxial section analogous to Fig. 3 fibrous isotropic structure 14 at the impeller and stator inlet and the honeycomb structure 15 at the outlet of impeller and stator 1, 2.
  • Impeller 1 is about Carrier disc 16 and the impeller hub 3 connected to the drive motor 5.
  • the cover disk 8 delimits the impeller on the support disk 16 opposite side.
  • the impeller is from the volute 9 enclosed.
  • a stator 2, not shown, which is also made of fine structured material is used.
  • the impeller 1 is constructed with different fiber-like 14 or different honeycomb-like, cellular structures 15.
  • 7 shows in the 4 quadrants of a radial section through the impeller 1 of a radial fan, various combinations and structures which are formed from one or more straight or curved honeycomb-like structures and from combined fiber and honeycomb-like structures.
  • the subdivision of the impeller in the axial and circumferential direction generally creates the desired fine structure.
  • a two-layer impeller is shown in the first quadrant according to FIG. 7 a). It consists of a first layer with a fibrous structure 14 and a second layer with a honeycomb structure 15.
  • FIG. 7 b shows two layers, the first layer in the radial flow direction consisting of a honeycomb structure 15 with obliquely arranged segments and then a second layer of a honeycomb structure with radially arranged segments.
  • a layer is shown which consists of a honeycomb structure 15 with obliquely arranged segments.
  • the third quadrant according to FIG. 7 d) again shows a layer which consists of a honeycomb structure 15 with segments arranged in a curved manner.
  • 11 a and 11 b show the coaxial section and the axial section of an axial one Impeller or stator, in which the flow channels 21 through tabs 26th formed by punching and bending from strips. Seals are used to reduce radial flow compensation 25 used.
  • Fig. 12 shows a disc, the ribs of two rows of tabs 26 with different inclination to the circumferential direction are formed.
  • the Using more than two rows of tabs 26 is an advantageous one Education of the invention.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft Lauf- und Leiträder (1,2) für Strömungsmaschinen, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren, wobei diese zur Verringerung von Strömungsgeräuschen und zur Verbesserung der Kennlinienstabilität zwischen dem Ein- und dem Austrittsquerschnitt für die Strömung aus einer Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen (21) gebildet werden, in welchen eine Umlenkung der Strömung und die damit verbundene Druckerhöhung erfolgt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft Lauf- und Leiträder für Strömungsmaschinen, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren.
Die Verdichtung von gasförmigen Fluiden erfolgt in Ventilatoren mit kleiner Druckerhöhung und in Verdichtem mit einer großen Druckerhöhung.
Nach dem Wirkprinzip von Turboverdichtem wird die Arbeit durch Dralländerung zugeführt. Dabei durchströmt das Gas ein sich drehendes und mit einzelnen Laufschaufeln bestücktes Laufrad, durch welches die Arbeit zugeführt wird. Die Durchströmung des Laufrades erfolgt axial, diagonal und radial. Dementsprechend spricht man von Axial-, Diagonal- und RadialVentilatoren bzw. Verdichtem.
Neben den Laufrädern werden stehende, mit einzelnen Leitschaufeln bestückte Strömungsleiteinrichtungen, sogenannte Leiträder, zur Verbesserung der Arbeitsübertragung und des Wirkungsgrades in Ventilatoren und Verdichtem eingesetzt. Die Schaufeln der Lauf- und Leiträder haben eine Eintritts- oder Vorderkante und eine Austritts- oder Hinterkante.
Die Oberflächen der Schaufeln zwischen Vorder- und Hinterkante bezeichnet man als Druckseite und Saugseite.
Mit Bezug auf die Schaufeln der Lauf- und Leiträder ist der mittlere Druck auf der Druckseite der Schaufeln größer als auf der Saugseite, wodurch Kräfte auf die Schaufeln wirken.
Diese Kräfte sind den Kräften gleich, welche die Lauf- und Leitschaufeln auf die Strömung ausüben und die zur Dralländerung und Arbeitsübertragung in den Ventilatoren und Verdichtem führen. Die Laufschaufeln sind nach Ausführungen gemäß dem Stand der Technik an einer Nabe mit axialer, diagonaler oder radialer Kontur befestigt.
Auf der äußeren, der Laufradnabe gegenüberliegenden Seite können die Laufschaufeln über einen Ring, das Deckband, verbunden und befestigt sein. Bei Diagonal- und Radialventilatoren und -verdichtem wird dieser Ring Deckscheibe genannt.
Die Leiträder und die Laufräder werden nach außen hin von einem Gehäuse umschlossen. Die Leitradnabe kann stromauf und stromab durch ein feststehendes Gehäuse fortgesetzt werden. Die Spalte zwischen dem Laufrad bzw. Leitrad und Gehäuse werden, im Interesse kleiner Strömungsverluste, möglichst klein ausgeführt. Der Antrieb der Laufräder erfolgt in der Regel durch einen Elektromotor über die Laufradnabe.
Bei der Rotation der Laufräder und der an die Schaufeln gebundenen Druckfelder zwischen Druck- und Saugseite entsteht bekanntermaßen ein intensiver Schall, der auch als Drehklang bezeichnet wird.
Eine weitere wichtige Quelle des Schalls sind die Druckschwankungen, die bei der Durchströmung der Lauf- und Leiträder und der damit verbundenen Bildung großer und kleiner Wirbel entstehen.
Zur Minimierung des entstehenden Schalls sind im Stand der Technik viele Maßnahmen bekannt.
Man unterscheidet zwischen aktiven Maßnahmen, wie z.B. der Auslegung von Ventilatoren und Verdichtem mit kleinem Strömungsverlusten, die Wahl ungleichmäßiger Abstände der Schaufeln voneinander (Teilung) sowie, beispielsweise nach der DE 196 04 638 A1, die Sichelung der Schaufeln oder durch mitrotierende Düsen und Diffusoren.
Ebenfalls bekannt nach der DE 42 05 925 A1 ist ein Gebläse, bei dem der mittlere Teil der Schaufeln aus porösem Material gebildet wird. Das poröse Material ermöglicht eine Durchströmung der Schaufeln von der Druck- zur Saugseite. Dadurch entstehen ein Abbau der Druckunterschiede und eine Verringerung der Geräusche, die durch Wirbel und die Druckunterschiede auftreten. Allerdings verringern sich dadurch auch die Effizienz der Arbeitsübertragung und die Druckerhöhung.
Nach der Lehre der US 005244349 werden zur Verringerung der Masse anstelle des porösen Materials Laufschaufeln mit Perforation eingesetzt.
Ähnlich sind die Verhältnisse bei einem Axialrad mit gesichelten Schaufeln, die in Strömungsrichtung unterbrochen sind gemäß der Lehre der DE 196 04 638 A1. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Druckverteilung und eine verbesserte Arbeitsübertragung sowie eine verringerte Geräuschentwicklung.
Gleichfalls wird im genannten Stand der Technik referiert, dass durch Vorsprünge an den Hinterkanten von Laufrädem eine verringerte Geräuschemission erreichbar ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Vorsprünge sowohl auf die Druckfelder als auch auf die Wirbel in der Strömung einwirken.
Die zweite Gruppe von Maßnahmen zielt im Wesentlichen auf die Dämpfung der entstandenen Geräusche ab. Man bezeichnet diese Gruppe auch als passive Maßnahmen.
So wird beispielsweise nach der DE 100 19 237 A1 vorgeschlagen, die Nabe und das Gehäuse aus schalldämpfendem Material auszuführen.
Nach der DE 42 44 906 C2 wird ein Gebläse beschrieben, bei dem ein Teil des innen liegenden Gehäuses durch schallabsorbierendes Material gebildet wird.
In der DE 196 04 638 A1 wird bei Ventilatoren eine Sichelung der Schaufeln zur Verringerung der Geräuschentwicklung vorgeschlagen.
Weitere Ansätze zur Lösung des Geräuschproblems bei Lauf- und Leiträdem finden sich in der CH-PS 409 225, wo als Strömungsgitter ein Faserkörper mit länglich geformten faserförmigen Einzelkörpern vorgesehen ist.
Nach der Lehre der DE-PS 174 180 werden zick-zack-förmige Ringe und Bänder verwendet, die quer zu den Wellen durchströmt werden.
In der GB 2 065 773 A werden für die Arbeitsübertragung starre poröse Materialien als Scheiben benutzt, um stabile Laufräder zur Verfügung zu stellen.
Einem ähnlichen Aspekt, dem der kostengünstigen Herstellung von Laufrädem, widmet sich die DE 195 45 977 A1, wobei übliche Schaufelräder durch kostengünstige einfache gebogene Blechstreifen ersetzt werden.
Zur Beurteilung des Schallleistungspegels von Ventilatoren verwendet man den spezifischen, A-bewerteten Schallleistungspegel, der auf vereinbarte Werte von Gesamtdruckerhöhung, Volumenstrom und Drehzahl bezogen ist. Ordnet man diese spezifischen Schallleistungspegel zum Beispiel der Durchmesserzahl als Kennzahl für die Bauart der Ventilatoren zu, dann ergibt sich ein Band, in dem die hinsichtlich Wirkungsgrad und spezifischem Schallleistungspegel guten Ventilatoren liegen. Sehr gute Radialventilatoren erreichen spezifische Gesamtschallleistungspegel von etwa 20 dB (A), Axialventilatoren 32 dB (A).
Allerdings hat die Entwicklung der vergangenen Jahre gezeigt, dass es trotz intensiver Bemühungen nicht möglich war, die minimalen spezifischen Schallleistungspegel weiter abzusenken. Dem Stand der Technik haftet somit trotz intensiver Bemühungen weiterhin der Nachteil an, dass die Geräuschbelastung von Ventilatoren und Verdichtem immer noch inakzeptabel hoch ist.
Strömungstechnisch günstige Ventilatoren und Verdichter mit großer Druckerhöhung und großem Volumenstrom bei gegebener Drehzahl und gegebenem Durchmesser haben häufig keine stabile Kennlinie. Die Kennlinie, ermittelt durch Auftragung der Druckerhöhung in Abhängigkeit des Volumenstroms fällt nicht monoton mit steigendem Volumenstrom.
Diese Eigenschaft wird durch ungleichmäßige Abreißerscheinungen an den Lauf- oder Leitschaufeln - rotierendes Abreißen - hervorgerufen und führt zu Wirkungsgradabfall, vergrößerter Schallabstrahlung und zusätzlicher mechanischer Belastung der Schaufeln. Deshalb dürfen Ventilatoren nicht im instabilen Betriebsbereich betrieben werden. Zur Verhinderung des instabilen Betriebes sind diverse Stabilisierungseinrichtungen bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde Lauf- und Leiträder für axiale, diagonale und radiale Ventilatoren bzw. Verdichter zu entwickeln, die einen wesentlich kleineren spezifischen Schallleistungspegel als herkömmliche Ventilatoren bzw. Verdichter aufweisen.
Weiterhin wird eine Verbesserung der Kennlinienstabilität angestrebt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Lauf- und Leiträder für Strömungsmaschinen, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren gelöst, welche zur Verringerung von Strömungsgeräuschen und zur Verbesserung der Kennlinienstabilität zwischen dem Ein- und dem Austrittsquerschnitt für die Strömung aus einer Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen gebildet werden, in welchen eine Umlenkung der Strömung und die damit verbundene Druckerhöhung erfolgt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Feststoffmatrix nicht isotrop aus zueinander beabstandeten Segmenten aufgebaut, durch welche die Strömungskanäle für das Fluid gebildet werden.
Die Segmente weisen in Strömungsrichtung beispielsweise polygonale Querschnitte auf und werden aus Bändern gebildet.
Gleichfalls vorteilhaft sind die Segmente mit wabenartigem, quadratischem oder trapezförmigem Querschnitt ausgebildet.
Die Segmente werden vorzugsweise durch Bänder aus Kunststoff oder Metall ausgebildet oder in einem Gießverfahren hergestellt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Feststoffmatrix aus isotropen porösen Materialien, welche Strömungskanäle für das Fluid aufweisen.
Vorteilhaft werden als poröse Materialien Schäume eingesetzt, insbesondere geeignet sind Metall- oder Kunststoffschäume.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Feststoffmatrix aus faserartigen Strukturen oder auch aus quer zur Strömungsrichtung angeordneten Sieben gebildet.
Der erfindungsgemäße Erfolg wird auch erreicht, wenn die Feststoffmatrix in Strömungsrichtung aus mindestens zwei Schichten aufgebaut ist, wobei die erste Schicht aus faserartigen Strukturen oder aus isotropem porösen Material ausgeführt ist und die zweite Schicht aus Segmenten gebildet wird.
Generell vorteilhaft ist es, zur mechanischen Stabilisierung der Feststoffmatrix Deckbänder vorzusehen oder auch bei Radialbauart der Laufräder eine Tragscheibe und eine Deckscheibe auszubilden.
Eine in Bezug auf die Minimierung der Strömungsgeräusche besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass die Strömungskanäle zur Ermöglichung eines partiellen Druckausgleiches in radialer oder Umfangsrichtung und damit verbundener Verringerung der Geräuschbelastung teilweise miteinander verbunden sind.
Nach der Konzeption der Erfindung werden die Lauf- und Leiträder gerade nicht wie herkömmlich üblich mit einzelnen Schaufeln ausgestattet. Nach der Lehre der Erfindung werden die Lauf- und Leiträder durch eine Festkörpermatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen gebildet.
Unter einer Festkörpermatrix sind strukturierte Materialien mit Strömungskanälen für das Fluid zu verstehen, in denen die Umlenkung der Strömung erfolgt.
In der Ausbildung als Axialventilator ist die Festkörpermatrix des Lauf- oder Leitrades beispielsweise scheibenartig ausgebildet.
Die erfindungsgemäßen Lösungen haben die nachfolgend beschriebenen Vorteile:
  • Die Arbeitsübertragung erfolgt wie bei Turbomaschinen über eine Dralländerung. Anstelle der Polaren der Tragflügel, der Gittereinflüsse und der Randverluste treten neue Parameter. Das sind in erster Linie die Kräfte (3 Komponenten) pro Volumeneinheit, die von der Festkörpermatrix bzw. den strukturierten Materialien auf die Strömung ausgeübt werden.
  • Der bei bekannten Lösungen an die einzelnen Lauf- und Leitschaufeln sowie Stege und Ähnliches gebundene Wirbellärm sowie der Drehklang und der Sirenenklang entfallen. Deshalb weist das Schallspektrum im mittleren, den Ventilatorlärm bestimmenden Frequenzbereich extrem niedrige Pegel auf. Das Strömungsrauschen bei sehr großen Frequenzen vergrößert sich. Das wirkt sich jedoch nicht wesenttich auf den A-bewerteten Pegel aus.
  • Im Teillastbereich entsteht bei hochbelasteten Ventilatoren üblicherweise "rotierendes Abreißen" und damit zusammenhängend intensiver Schall. Rotierendes Abreißen basiert auf der laminaren Ablösung und der Bildung von großen, über einzelne Schaufeln eines Rades hinausgehende Strukturen. Solche Effekte treten bei einer Feststoffmatrix aus strukturiertem Material kaum auf, d.h. alle Kennlinien sind stabil, extra Stabilisatoren entfallen.
  • Die Wirkungsgrade der neuartigen Ventilatoren sind nicht wesentlich schlechter als die herkömmlicher Ventilatoren, deren Verluste sich aus ebenen, Rand-, Spalt- und Mischungsverlusten zusammensetzen. Bei Schaufeln aus strukturiertem Material sind die Verluste zur Erzeugung der Umlenkung (analog zu den ebenen Verlusten) wesentlich größer als üblicherweise. Randverluste, Spaltverluste und Mischungsverluste verkleinern sich.
  • Alle Streben, z.B. zur Halterung des Motors, werden vorteilhaft entweder aus strukturiertem Material ausgeführt oder sie werden in dieses integriert, damit auch hier die Größe der Ablösewirbel minimiert wird.
  • Zum Erreichen eines guten Teillastverhaltens können zwei oder mehrere verschiedene Grundstrukturen in den Lauf- und Leiträdem angewendet werden. So ist eine isotrope faserartige Struktur am Radeintritt zur Minimierung der Stoßverluste und eine wabenartige Struktur am Radaustritt zur Senkung der Reibungsverluste besonders vorteilhaft.
  • Für eine Vielzahl von Anwendungen mit axialer Förderrichtung werden Stufendruckzahlen von etwa 1 benötigt (z.B. Staubsaugergebläse). Das ist bisher nur mit Radialstufen, häufig mit nachgeschalteten Leit- und Rückführgittem, möglich. Axiale Ventilatoren mit entsprechend großen Druckzahlen haben instabile Kennlinien mit allen sich daraus ergebenden Nachteilen. Bei Axialstufen aus strukturierten Materialien ergibt sich dieser Nachteil nicht.
Die erfindungsgemäßen Lauf- und Leiträder werden wegen ihrer Kennlinienstabilität insbesondere in Entrauchungsventilatoren eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Konzept wird ebenso wegen der geringeren Schallbelastung für Computerventilatoren eingesetzt. Als weiteren beispielhaften Anwendungsfall ist Nutzung des Konzeptes für Wasserdampfturboverdichter zu nennen.
Die genannte Auswahl der Einsatzmöglichkeiten zeigt, dass das erfindungsgemäße Lösungsprinzip auf eine Vielzahl unterschiedlichst dimensionierter Ventilatoren und Verdichter einsetzbar ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1:
Axialschnitt eines Axialventilators für den Rohreinbau,
Fig. 2a, b:
axiale Ansicht des Axialventilators für den Rohreinbau (Ausschnitt),
Fig. 3:
abgewickelter Koaxialschnitt durch Lauf- und Leitrad des Axialventilators für den Rohreinbau,
Fig. 4:
Axialschnitt durch einen Axialventilator mit freiem Ansaugen,
Fig. 5:
abgewickelter Koaxialschnitt durch Lauf- und Leitrad eines Axialventilators aus faserartigem und zellulärem Material,
Fig. 6:
Axialschnitt durch einen Radialventilator mit einem Laufrand aus fein strukturiertem Material,
Fig. 7:
unterschiedliche zelluläre Strukturen für ein Radialventilatorlaufrad (Radialschnitt),
Fig. 8:
abgewickelter Koaxialschnitt durch Lauf- und Leitrad eines Radialventilators, bei dem die zelluläre Struktur durch viele gewellte und profilierte Scheiben gebildet wird,
Fig. 9:
abgewickelter Koaxialschnitt durch Lauf- und Leitrad eines Radialventilators, bei dem die zelluläre Struktur durch viele berippte Scheiben gebildet wird,
Fig. 10:
abgewickelter Koaxialschnitt durch Lauf- und Leitrad eines Radialventilators, bei dem die zelluläre Struktur durch viele berippte Scheiben gebildet wird,
Fig. 11:
axiale Ansicht der berippten Scheiben nach Fig. 10,
Fig. 11 a, b
abgewickelter Koaxialschnitt durch ein Lauf- oder Leitrad des Axialventilators mit Laschen,
Fig. 12
Radialschnitt Struktur für ein Radialventilatorlaufrad mit Laschen.
Fig. 1 zeigt einen Axialventilator 23 mit Laufrad 1, Leitrad 2 und Laufradnabe 3 zur Befestigung des Laufrades 1 auf der Welle des Antriebsmotors 5, der meist als Elektromotor ausgeführt ist. Die Leitschaufeln haben außer ihrer Funktion, die Strömung in geeigneter Weise umzulenken, die Aufgabe, den Antriebsmotor 5 im Gehäuse 6 zu halten. Aus Festigkeits- und Montagegründen wird das Leitrad 2 innen durch eine Leitradnabe 4 begrenzt. Die Welle des Antriebsmotors ist mit 22 bezeichnet.
Erfindungsgemäß werden anstelle der üblichen Lauf- und Leiträder mit profilierten verwundenen Einzelschaufeln Lauf- und Leiträder aus einer Feststoffmatrix aus bevorzugt fein strukturiertem Material verwendet. Dabei können die Wandstärken, der die Segmente bildenden Materialien sehr klein gewählt werden. Damit wird die Kraftwirkung der Schaufeln auf die Strömung in herkömmlichen Ventilatoren auf viele kleine Segmente oder "Strukturelemente" der Matrix aufgeteilt. Die Struktur ergibt eine sehr hohe Festigkeit des Laufund Leitrades 1, 2. Bei besonderen Anforderungen werden in die Lauf- und Leiträder 1, 2 nicht dargestellte Stützelemente integriert.
Die Segmente weisen in Strömungsrichtung 11 polygonale Querschnitte, wabenartige Querschnitte 15 oder quadratische oder trapezförmige Querschnitte auf.
Die Segmente werden durch Bänder 19 aus Kunststoff oder Metall ausgebildet. Alle Streben, Stege, Haltevorrichtungen usw. sollten ebenfalls aus strukturiertem Material bestehen oder in dieses integriert werden. Weiterhin dargestellt ist die Richtung der Zuströmung 11 des Fluids und die Drehachse 10 der Motorwelle des Antriebsmotors 5 und des Laufrades 1.
Nach einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden die Lauf- und Leiträder 1, 2 zur Verringerung von Lauf- bzw. Strömungsgeräuschen aus isotropen Schäumen ausgebildet.
Die isotropen Schäume werden vorteilhaft als Metall- oder Kunststoffschaum ausgeführt.
Ebenso vorteilhaft ist die Ausbildung der Lauf- und Leiträder 1, 2 aus faserartigen Strukturen 14.
In Fig. 2 ist ein Ausschnitt der Ansicht des Axialventilators in Strömungsrichtung 11 vergrößert dargestellt. Die Struktur aus den Segmenten entsteht beispielsweise durch Aufwickeln und Verbinden eines Bandes 19 mit vorgefertigten Stegen 20. Die Teilung der Struktur ist bei starker Dralländerung aus Gründen der Verlustminderung in radialer Richtung meist größer als in Umfangsrichtung, weil die Verluste der Sekundärströmung mit der Umlenkung und mit dem Seitenverhältnis der Zellen in radialer Richtung und in Umfangsrichtung wachsen. Sie kann dabei in radialer und in Umfangsrichtung Durchtrittsöffnungen aufweisen, was zu einem Geschwindigkeits- und Druckausgleich in radialer und Umfangsrichtung genutzt wird.
Fig. 3 entsteht aus einem Coaxialschnitt und dessen Abwicklung in einer Ebene. Man erkennt die Strömungskanäle 21, die sich für Lauf- und Leitrad 1, 2 unterscheiden. Zur Veranschaulichung der Schnittgeometrie ist die Zuströmrichtung 11 und die Drehrichtung 12 des Laufrades 1 angegeben. Die Strömungskanäle 21 können, wie dargestellt, durchgängig sein oder sich aus mehreren Abschnitten zusammensetzen. Die Abmessungen der Strömungskanäle 21 sind so zu wählen, dass sich laminare Grenzschichten bei Reynolds-Zahlen kurz unterhalb des Umschlags zu turbulenten Grenzschichten einstellen.
Fig. 4 zeigt einen Axialventilator mit Ansaugdüse. Zum Erreichen eines guten Teillastverhaltens werden nach dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zwei verschiedene Schichten von Strukturen im Laufrad 1 angewendet. Das Gleiche ist bei Leitrad 2 möglich. Die in Zuströmungsrichtung 11 erste Schicht weist eine faserartige isotrope Struktur 14 zur Minimierung der Stoßverluste am Radeintritt auf. Die sich anschließende zweite Schicht am Radaustritt wird aus einer wabenartigen Struktur 15 gebildet und ist zur Senkung der Reibungsverluste vorteilhaft.
Außerdem ermöglicht die faserartige isotrope Struktur 14 einen radialen Strömungsausgleich. Die zentrifugale und zentripedale Kanalführung in den Strukturen von Lauf- und Leitrad 1, 2 kann vorteilhaft zum Erreichen einer gewünschten radialen Druck- und Geschwindigkeitsverteilung genutzt werden. Die Ansaugdüse 13 hat im Hinblick auf das fein strukturierte Laufrad 1 einen sehr kleinen Abrundungsradius. Zur Sicherung der Festigkeit des Laufrades 1 wird ein Deckband 7 verwendet, welches auch die verschiedenen Schichten aneinander hält.
Fig. 5 zeigt in einem abgewickelten Coaxialschnitt analog zu Fig. 3 die faserartige isotrope Struktur 14 am Lauf- und Leitradeintritt und die wabenartige Struktur 15 am Austritt von Lauf- und Leitrad 1, 2.
In Fig. 6 ist ein Axialschnitt durch einen Radialventilator 24 mit einem erfindungsgemäßen Laufrad 1 aus fein strukturiertem Material dargestellt. Das Laufrad 1 aus fein strukturiertem wabenförmigem Material ist über die Tragscheibe 16 und die Laufradnabe 3 mit dem Antriebsmotor 5 verbunden.
Die Deckscheibe 8 begrenzt das Laufrad auf der der Tragscheibe 16 gegenüberliegenden Seite. Das Laufrad wird vom Spiralgehäuse 9 umschlossen. In verschiedenen Anwendungen ist es vorteilhaft, hinter dem radialen Laufrad 1 ein nicht dargestelltes Leitrad 2, welches ebenfalls aus fein strukturiertem Material ausgebildet ist, einzusetzen.
Das Laufrad 1 wird je nach Aufgabenstellung mit verschiedenen faserartigen 14 oder unterschiedlichen wabenartigen, zellulären Strukturen 15 aufgebaut.
Fig. 7 zeigt in den 4 Quadranten eines Radialschnitts durch das Laufrad 1 eines Radialventilators verschiedene Kombinationen und Strukturen, die aus ein oder mehreren geraden oder gekrümmten wabenartigen und aus kombinierten faser- und wabenartigen Strukturen gebildet werden. Generell entsteht durch die Unterteilung des Laufrades in axialer Richtung und Umfangsrichtung die angestrebte feine Struktur.
Im ersten Quadranten gemäß Fig. 7 a) wird ein zweischichtiges Laufrad gezeigt. Es besteht aus einer ersten Schicht mit faserartiger Struktur 14 und einer zweiten Schicht mit wabenartiger Struktur 15.
Im zweiten Quadranten gemäß Fig. 7 b) sind zwei Schichten dargestellt, wobei die erste Schicht in radialer Strömungsrichtung aus einer wabenartigen Struktur 15 mit schräg angeordneten Segmenten und anschließend einer zweiten Schicht aus einer wabenartigen Struktur mit radial angeordneten Segmenten besteht.
Im vierten Quadranten gemäß Fig. 7 c) ist eine Schicht dargestellt, die aus einer wabenartigen Struktur 15 mit schräg angeordneten Segmenten bestehen.
Im dritten Quadranten gemäß Fig. 7 d) ist wiederum eine Schicht dargestellt, die aus einer wabenartigen Struktur 15 mit gekrümmt angeordneten Segmenten bestehen.
In Fig. 8 und Fig. 9 ist die Ausbildung eines fein strukturierten Radiallaufrades aus vielen dünnen, profilierten und vorgefertigten Scheiben 17 mit Rippen nach Fig. 7 dargestellt. Diese Scheiben werden axial nebeneinander gesetzt und miteinander verbunden. Dadurch entsteht ein radiales Laufrad 1 mit hoher Festigkeit, welche durch zusätzliche Zuganker in axialer Richtung noch verbessert werden kann.
Fig. 10 zeigt einen abgewickelten Koaxialschnitt durch Lauf- oder Leitrad 1, 2 eines Radialventilators 24, bei dem die zelluläre Struktur durch viele berippte Scheiben 17 gebildet wird. Begrenzt wird die zelluläre Struktur durch die Tragscheibe 16. Gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung führt die gezeigte Anordnung der Segmente zu einer mechanischen Stabilisierung, da die Kräfte in Umfangsrichtung von den derart angeordneten Segmenten besser aufgenommen werden können.
Fig. 11 a und 11 b zeigen den Koaxialschnitt und den Axialschnitt eines axialen Lauf- oder Leitrades, bei dem die Strömungskanäle 21 durch Laschen 26 gebildet werden, die durch Ausstanzen und Umbiegen aus Bändern entstehen. Zur Verminderung des radialen Strömungsausgleiches werden Abdichtungen 25 verwendet.
Fig. 12 zeigt eine Scheibe, deren Rippen aus zwei Reihen von Laschen 26 mit unterschiedlicher Neigung zur Umfangsrichtung gebildet werden. Die Verwendung von mehr als zwei Reihen von Laschen 26 ist eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1
Laufrad
2
Leitrad
3
Laufradnabe
4
Leitradnabe
5
Antriebsmotor
6
Gehäuse
7
Deckband
8
Deckscheibe
9
Spiralgehäuse
10
Drehachse
11
Zuströmung
12
Drehrichtung des Laufrades
13
Ansaugdüse
14
faserartige Struktur
15
wabenartige Struktur
16
Tragscheibe
17
profilierte Scheibe
18
Koaxialschnitt
19
Band
20
Stege
21
Strömungskanal
22
Welle des Antriebsmotors
23
Axialventilator
24
Radialventilator
25
Abdichtung
26
Lasche

Claims (14)

  1. Lauf- und Leitrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren, wobei das Lauf- und Leitrad (1, 2) aus einer Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen (21) besteht und dass die Feststoffmatrix nicht isotrop aus zueinander beabstandeten Segmenten aufgebaut ist, durch welche die Strömungskanäle (21) für das Fluid gebildet werden und dass das Lauf- und Leitrad (1, 2) zusätzlich als Gleichrichter oder Sieb wirkt.
  2. Lauf- und Leitrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente in Strömungsrichtung (11) polygonale Querschnitte aufweisen und aus Bändern (19) gebildet werden.
  3. Lauf- und Leitrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente in Strömungsrichtung (11) wabenartige Querschnitte (15) aufweisen.
  4. Lauf- und Leitrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente quadratische oder trapezförmige Querschnitte aufweisen.
  5. Lauf- und Leitrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente durch Bänder (19) aus Kunststoff oder Metall ausgebildet werden.
  6. Lauf- und Leitrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren, wobei das Lauf- und Leitrad (1, 2) aus einer Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen (21) besteht und dass die Feststoffmatrix aus isotropen porösen Materialien besteht, welche Strömungskanäle (21) für das Fluid aufweisen und dass das Lauf- und Leitrad (1, 2) zusätzlich als Gleichrichter oder Sieb wirkt.
  7. Lauf- und Leitrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als poröse Materialien Schäume eingesetzt werden.
  8. Lauf- und Leitrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die isotropen Schäume als Metall- oder Kunststoffschäume ausgeführt sind.
  9. Lauf- und Leitrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren, wobei das Lauf- und Leitrad (1, 2) aus einer Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen (21) besteht und dass die Feststoffmatrix aus faserartigen Strukturen (14) gebildet wird, welche Strömungskanäle (21) für das Fluid aufweisen und dass das Lauf- und Leitrad (1, 2) zusätzlich als Gleichrichter oder Sieb wirkt.
  10. Lauf- und Leitrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren, wobei das Lauf- und Leitrad (1, 2) aus einer Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen (21) besteht und dass die Feststoffmatrix aus quer zur Strömungsrichtung (11) angeordneten Sieben gebildet wird und dass das Lauf- und Leitrad (1, 2) zusätzlich als Gleichrichter oder Sieb wirkt.
  11. Lauf- und Leitrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren, wobei das Lauf- und Leitrad (1, 2) aus einer Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen (21) besteht und dass die Feststoffmatrix in Strömungsrichtung (11) aus mindestens zwei Schichten aufgebaut ist, wobei die erste Schicht aus faserartigen Strukturen (14) oder aus isotropem porösen Material ausgeführt ist und die zweite Schicht aus Segmenten gebildet wird.
  12. Lauf- und Leitrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Stabilisierung der Feststoffmatrix Deckbänder (7) vorgesehen sind.
  13. Laufrad für eine Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Stabilisierung der Feststoffmatrix bei Radialbauart des Laufrades eine Tragscheibe (16) und eine Deckscheibe (8) vorgesehen sind.
  14. Lauf- und Leitrad nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (21) in radialer Richtung teilweise miteinander verbunden sind.
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