EP2541068B1 - Axialventilator mit Strömungsleitkörper - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Axialventilator mit einem Motor, der einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei vom Außenumfang des als Ventilatorlaufrad ausgebildeten Rotors Schaufeln abragen, die ein gasförmiges Medium in einer axial gerichteten Hauptströmungsrichtung von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite bewegen.
• Bei derartigen Ventilatoren, die in vielfältigen Ausführungen bekannt sind, besteht ein ständiges Entwicklungsziel darin, den erreichbaren Wirkungsgrad zu maximieren. Unter dem Wirkungsgrad wird dabei - bezogen nur auf das Ventilatorlaufrad - im engeren Sinn das Verhältnis der Förderleistung des Ventilators zum Leistungsbedarf der Ventilatorwelle verstanden. Bei einer vorgegebenen Wellenleistung wird der Wirkungsgrad durch den geförderten Volumenstrom und die durch den Ventilator bewirkte Totaldruckerhöhung bestimmt, aus deren Produkt sich die Förderleistung ergibt, wobei entsprechend der sogenannten Bernoulli-Gleichung unter Totaldruck die Summe aus statischem und dynamischem Druck verstanden wird.
• Im Zusammenhang mit der Neufassung der sogenannten Ökodesign-Richtlinie bzw. ErP-Richtlinie (Richtlinie 2009/125/EG der Europäischen Union), die zur Minimierung von schädlichen Umweltbelastungen nicht nur energiebetriebene Produkte (Energy-using products), sondern generell energieverbrauchsrelevante Produkte ("Energy-related Products") beinhaltet, hat dieses Entwicklungsziel an Relevanz zugenommen, wobei es auf jeden Prozentpunkt der Steigerung des Wirkungsgrades ankommt. Dies gilt sowohl für Ventilatoren, die als "Stand-alone"-Gerät betrieben werden, als auch für Ventilatoren, die als Komponente in ein Gerät oder in eine Anlage integriert sind. Die ErP-Richtlinie legt dabei bestimmte Mindestwirkungsgrade fest, wobei hier unter dem Wirkungsgrad im weiteren Sinne der Wirkungsgrad des gesamten Ventilators, also der Einheit aus Steuerelektronik (falls vorhanden), des Motors und des Vontilatorlaufrades bewertet werden.
• Als Stand der Technik sind im vorliegenden technischen Gebiet beispielsweise die US-Patentanmeldungen US 2008/219837 A1 , US 2007/154308 A1 sowie die US 2007/065281 A1 zu nennen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Axialventilator der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem auf konstruktiv wenig aufwändige Weise Verbesserungen des Betriebsverhaltens hinsichtlich des Wirkungsgrades erzielt werden können. Dabei soll das Geräuschverhalten nicht beeinträchtigt bzw. vorzugsweise ebenfalls verbessert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst
• Ein solcher erfindungsgemäß vorgesehener Strömungsleitkörper, der in Strömungsrichtung hinter dem Ventilator angebracht ist, wirkt vorteilhafterweise als eine Versperrungs- oder Prallplatte für den geförderten Gasstrom, durch die verhindert wird, dass ein Volumenstrom aus einem Verwirbelungsgebiet hinter dem Motor angesaugt wird. Derartige Verwirbelungszonen, die nach Ablösung einer Strömung von einem umströmten Körper entstehen, werden im Falle einer Flüssigkeit als Strömungsmedium auch als "Totwassergebiete" bezeichnet. Dort gibt es keine laminare Strömung mehr.
• Der erfindungsgemäß vorgesehene Strömungsleitkörper bewirkt außerdem, dass eine Rückströmung des Strömungsmediums erst in einem Durchmesserbereich beginnen kann, der größer als der Nabendurchmesser ist, wodurch die Rückströmung insgesamt erschwert wird. Dies ist wiederum dadurch bedingt, dass die Rückströmung entgegen der Fliehkraft erfolgen muss, welche proportional mit dem Abstand zur Ventilatorachse zunimmt. Ein sich insbesondere beim Einsatz von Axialventilatoren bei erhöhtem Gegendruck ergebendes Rückstromgebiet kann erfindungsgemäß vergleichsweise klein gehalten werden. Da sich die Strömung durch den Lüfter erst bei einem größeren als dem Nabendurchmesser ablöst, kann sie bis zum Zeitpunkt ihrer Ablösung auch einen vergleichsweise höheren Druck erreichen als ohne den Strömungsleitkörper. Damit steigt die durch den Ventilator erzielbare Totaldruckerhöhung an, und der Wirkungsgrad erhöht sich gegenüber einem Ventilator ohne Strömungsleitkörper um einige Prozentpunkte.
• Der erfindungsgemäß vorgesehene Strömungsleitkörper kann mit Vorteil zusammen mit einem am Axialventilator ebenfalls auf der Ausgangsseite am Stator angebrachten Schutzgitter eingesetzt werden. Er kann dabei als separates Bauteil ausgeführt oder in das Schutzgitter integriert sein, d. h. insbesondere daran oder darin befestigt sein. Auch eine einteilige Ausführung mit dem Schutzgitter ist diesbezüglich möglich.
• Der Strömungsleitkörper kann mit Vorteil als anklipsbares, anschraubbares, vernietbares oder anschweißbares Kunststoff- oder Blechteil, also kraft-, form- und/oder stoffschlüssig befestigbar, insbesondere in fertigungs- und montagetechnisch wenig aufwändiger Weise als anklipsbares Kunststoffteil oder in robuster Bauart mit höherer Festigkeit als anschweißbares Blechteil, ausgeführt sein.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Strömungsleitkörper mit konischer, insbesondere kegelstumpfartiger Grundgestalt ausgeführt ist, wobei seine Mantelfläche im Montagezustand in vom Stator wegweisender Richtung divergiert. Hierbei kommt in vorteilhafter Weise zum Tragen, dass die Schrägstellung der Mantelfläche eine Umlenkung der Strömung nach außen und damit ein besseres Leitvermögen des Strömungsleitkörpers bewirkt.
• Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung enthalten. Anhand mehrerer in den beiliegenden Zeichnungsfiguren dargestellter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 : eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators in perspektivischer Darstellung, von der Eingangsseite des Strömungsmediums her gesehen,
• Fig. 2 : eine Seitenansicht der in Fig. 1 dargestellten Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators,
• Fig. 3 : eine Aufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators von der Ausgangsseite des Strömungsmediums her,
• Fig. 4 : eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators in perspektivischer Darstellung, von der Eingangsseite des Strömungsmediums her gesehen,
• Fig. 5 eine Seitenansicht der in Fig. 4 dargestellten Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators,
• Fig. 6 eine Aufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators von der Ausgangsseite des Strömungsmediums her,
• Fig. 7 in einer Darstellung ähnlich wie in Fig. 1 und 4, eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators.
• In den Figuren der Zeichnung sind dieselben Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass sie in der Regel auch jeweils nur einmal beschrieben werden.
• Wie zunächst aus der Darstellung in Fig. 1 bis 3 für die erste Ausführung der Erfindung, aber auch aus Fig. 4 bis 6 für die zweite Ausführung der Erfindung hervorgeht, umfasst ein erfindungsgemäßer Ventilator 1, der - wie dargestellt - in axialer Bauart ausgeführt ist, einen Stator 2 und einen Rotor 3, wobei am Außenumfang U3 des als Ventilatorlaufrad mit einem Außendurchmesser D3 ausgebildeten Rotors 3 Schaufeln 4 befestigt sind, die ein gasförmiges Medium in einer axial gerichteten Hauptströmungsrichtung S von einer Eingangsseite E zu einer Ausgangsseite A bewegen. Die Spitzen der Schaufeln 4 laufen dabei auf einem Umkreis U4 mit einem Durchmesser D4, der als Maximaldurchmesser des Ventilatorlaufrades angesehen werden kann.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf der Ausgangsseite A mittelbar oder unmittelbar am Stator 2 konzentrisch zu einer Statornabe 2a ein rotationssymmetrischer Strömungsleitkörper 5 befestigt ist, der einen Außendurchmesser D5 aufweist, welcher größer als der Außendurchmesser D2 der Statornabe 2a, und größer als der Außendurchmesser D3 des Rotors 3 ist. Seine maximal mögliche Größe wird theoretisch durch den Durchmesser D4 des Umkreises U4 um die Schaufeln 4 begrenzt, wobei der Außendurchmesser D5 des Strömungsleitkörpers 5 jedoch mindestens 15 % kleiner als Durchmesser D4 des Umkreises U4 sein sollte, damit ein Förderstrom in die axial gerichteten Hauptströmungsrichtung S gelangt.
• Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile wurden bereits vorstehend aufgezeigt. Insbesondere zeigt sich, dass die Strömung durch den Axialventilator 1 am Außendurchmesser D5 des Strömungsleitkörpers 5, wo sie ablöst, einen höheren Druck erreichen kann als am Außendurchmesser D2 der Statornabe 2a, wodurch ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird.
• Der Strömungsleitkörper 5 kann als anklipsbares, anschraubbares, vernietbares oder anschweißbares Kunststoff- oder Blechteil, insbesondere als anklipsbares Kunststoffteil oder als anschweißbares Blechteil, ausgeführt sein. In den beiden dargestellten Ausführungsformen ist der Strömungsleitkörper 5 mit dem Stator 2, insbesondere mit dessen Statornabe 2a mittels der Schrauben 6 verschraubt.
• Erfindungsgemäß ist der Außendurchmesser D5 des Strömungsleitkörpers 5 so bemessen, dass der Außenumfang U5 des Strömungsleitkörpers 5 auf einem Radius R_opt verläuft, der vom Außenumfang U3 des Rotors 3 um etwa 20 % bis 30 % der Länge L4 der Schaufeln 4 entfernt ist. Da die Schaufeln 4 unterschiedlich - z. B. mit einer Krümmung und/oder mit einer geschwungenen Außenkante - ausgeführt werden können, wird als maßgebliche Länge L4 der Schaufeln 4 ein Wert angesehen, der sich entsprechend der Formel (1): $$\mathrm{L}\mathrm{4}=\left(\mathrm{D}\mathrm{4}-\mathrm{D}\mathrm{3}\right)/\mathrm{2}$$

  

  ergibt. Der o. g. optimale Verhältnisbereich lässt sich folglich auch durch die nachstehende Formel (2) bzw. einfacher Formel (3) $$\mathrm{D}\mathrm{5}/\mathrm{2}={\mathrm{R}}_{\mathrm{opt}}=\mathrm{D}\mathrm{3}/\mathrm{2}+\left(\mathrm{0},\mathrm{2}\dots \mathrm{0},\mathrm{3}\right)*\left(\mathrm{D}\mathrm{4}-\mathrm{D}\mathrm{3}\right)/\mathrm{2}$$

  

  $$\mathrm{D}\mathrm{5}=\mathrm{D}\mathrm{3}+\left(\mathrm{0},\mathrm{2}\dots \mathrm{0},\mathrm{3}\right)*\left(\mathrm{D}\mathrm{4}-\mathrm{D}\mathrm{3}\right)$$

  
• Im Falle einer konischen Ausbildung des Außenumfangs U3 des Rotors 3 wird dabei mit dem größten Durchmesserwert D3 gerechnet.
• Die entsprechenden Durchmesser- und Längenverhältnisse sind insbesondere durch Fig. 2 und 5 sehr gut veranschaulicht. In dem genannten Verhältnisbereich sind die größten Zunahmen des Wirkungsgrades zu verzeichnen. Um eine verbesserte Leitung der Strömung zu erzielen, kann durch eine Schrägstellung der durch den Mantel 5a gebildeten Anströmfläche des Strömungsleitkörpers 5 eine Strömungsumlenkung herbeigeführt werden. Zu diesem Zweck kann - wie dargestellt - erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen sein, dass der Strömungsleitkörper 5 mit konischer, insbesondere kegelstumpfartiger Grundgestalt ausgeführt ist, wobei seine Mantelfläche 5a im Montagezustand in vom Stator 2 wegweisender Richtung divergiert. Wie insbesondere Fig. 2 und 5 veranschaulichen, verlauft die Mantelfläche 5a des Strömungsleitkörpers 5 erfindungsgemäß in einem Winkel µ zur Ventilatorlängsachse X-X verläuft, der nicht kleiner ist als 30° und vorzugsweise im Bereich von 55° bis 65° liegt. In diesem Winkelbereich sind die größten Zunahmen des Wirkungsgrades zu verzeichnen.
• Die beiden dargestellten Ausführungsformen der Erfindung zeigen, dass auf der Ausgangsseite A am Stator 2 ein Schutzgitter 7 befestigt ist. Die in Fig. 4 bis 6 dargestellte zweite Ausführung unterscheidet sich dabei von der ersten Ausführung in Fig. 1 bis 3 dadurch, dass der Strömungsleitkörper 5 in das Schutzgitter 7 integriert ist. In beiden Ausführungen sind der Strömungsleitkörper 5 und das Schutzgitter 7 mit der Statornabe 2a mittels der Schrauben 6 verschraubt. Die Schrauben 6 durchgreifen dabei gleichzeitig Befestigungsöffnungen in radial verlaufenden Befestigungsstreben 7a für das Schutzgitter 7 bzw. für dessen konzentrisch umfangsgemäß verlaufende Gitterstreben 7b sowie Befestigungsöffnungen in einem senkrecht zur axial gerichteten Hauptströmungsrichtung S verlaufenden Rand 5b des Strömungsleitkörpers 5. Die bei der zweiten Ausführung vorliegende Integration des Strömungsleitkörpers 5 in das Schutzgitter 7 bedeutet, dass die konzentrisch umfangsgemäß verlaufende Gitterstreben 7b des Schutzgitters 7 in materialökonomisch günstiger Weise im Bereich des Strömungsleitkörpers 5 ausgespart sind. Der Mantel 5a des Strömungsleitkörpers 5 fügt sich in die Form des Schutzgitters 7 ein und übernimmt vorteilhafterweise partiell dessen Schutzfunktion.
• Die erste Ausführung zeigt stattdessen, dass es, um den Wirkungsgrad eines Ventilators erfindungsgemäß zu erhöhen, nicht notwendig ist, am Rotor 3 eine neue Beschaufelung vorzunehmen, sondern dass der erfindungsgemäß vorgesehene Strömungsleitkörper 5 zusammen mit an sich bekannten Ventilatorbauteilen eingesetzt werden kann. Mit anderen Worten: Es müssen zur Erhöhung des Wirkungsgrades keine neuen Ventilatortypen definiert werden, sondern bestehende Ventilatoren können mit einem erfindungsgemäßen Strömungsleitkörper 5 nachgerüstet werden. Das Geräuschverhalten wird hierdurch nicht verschlechtert, sondern es konnte sogar eine Verbesserung beobachtet werden.
• Ein erfindungsgemäßer Axialventilator 1 kann beispielsweise zur Montage in einer Gebäudewand oder in einem Gerät bzw. einer Maschine, vorzugsweise mit freier Ausblasung, also ohne nachgeschaltetes Rohrsystem, vorgesehen werden, da in diesem Fall der Strömungsleitkörper 5 aufgrund der sich einstellenden Gesamtströmungsverhältnisse seine höchste Effizienz entfaltet. Wie bereits aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, ist dabei die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen. So fällt es auch in den Rahmen der Erfindung, wenn die geometrische Gestaltung des Axiallüfters 1 von der dargestellten abweicht oder wenn anstelle des Schutzgitters 7 oder zusätzlich ein Tragkreuz für eine "Stand-alone"-Ausführung des erfindungsgemäßen Axialventilators vorhanden ist. Der Strömungsleitkörper 5 kann - wie dargestellt - unmittelbar am Stator 2 oder mittelbar - beispielsweise über das Schutzgitter 7 - befestigt werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
• Der Fachmann kann des Weiteren zusätzliche zweckmäßige technische Maßnahmen vorsehen, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So zeigt Fig. 7 eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators 1, bei der die Schaufeln 4 außenseitig von einer konisch in Hauptströmungsrichtung S einlaufenden und dann im weiteren Verlauf hohlzylindrisch ausgebildeten Leitdüse 8 umgeben sind. Eine solche Leitdüse 8 kann in Abhängigkeit von der Einbausituation mit unterschiedlicher axialer Länge ausgeführt werden, z. B. als sogenannte Kurzdüse, bei der die Schaufeln 4 auf der Ausgangsseite A aus dem Düsenkanal 8a herausstehen. Auf diese Weise wird u. a. vermieden, dass die durch den Strömungsleitkörper 5 geführte Strömung auf die Düsenwandung 8b prallt, was u. U. zu Wirkungsgradverlusten führen könnte. Die Leitdüse 8 optimiert im Zusammenwirken mit dem Strömungsleitkörper 5 in synergistischer Weise das Strömungsbild im erfindungsgemäßen Ventilator 1. In der dargestellten Ausführung ist die runde Leitdüse 8 in zweckmäßiger Weise in eine sie allseits umfassende, insbesondere quadratische Rahmenstruktur 9 eingebettet, welche Befestigungsöffnungen 9a zur Montage aufweist.
Bezugszeichenliste

1

Axialventilator

2

Stator von 1

2a

Statornabe von 1

3

Rotor von 1

4

Schaufeln an 3

5

Strömungsleitkörper

5a

Mantelfläche von 5

5b

Rand von 5

6

Schraube

7

Schutzgitter

7a

radiale Befestigungsstrebe von 7

7b

umfangsgemäße Gitterstrebe von 7

8

Leitdüse

8a

Düsenkanal von 8

8b

Düsenwandung von 8

9

Rahmenstruktur für 8

9a

Befestigungsöffnungen in 9

A

Ausgangsseite

D2

Außendurchmesser von 2a

D3

Außendurchmesser von 3

D4

Außendurchmesser von 4

D5

Außendurchmesser von 5

E

Eingangsseite

S

Hauptströmungsrichtung

U3

Umfang von 3 (Durchmesser D3)

U4

Umkreis um 4 (Kreisumfang, Durchmesser D4)

U5

Umfang von 5 (Durchmesser D5)

X-X

Längsachse von 1

µ

Winkel zwischen 5a und X-X

Claims (7)

1. Axialventilator (1) mit einem Motor, der einen Stator (2) und einen Rotor (3) umfasst, wobei vom Außenumfang (U3) des als Ventilatorlaufrad ausgebildeten Rotors (3) Schaufeln (4) abragen, die ein gasförmiges Medium in einer axial gerichteten Hauptströmungsrichtung (S) von einer Eingangsseite (E) zu einer Ausgangsseite (A) bewegen, wobei auf der Ausgangsseite (A) mittelbar oder unmittelbar am Stator (2) konzentrisch zu einer Statornabe (2a) ein rotationssymmetrischer Strömungsleitkörper (5) befestigt ist, der einen Außendurchmesser (D5) aufweist, welcher größer als der Außendurchmesser (D2) der Statornabe (2a), größer als der Außendurchmesser (D3) des Rotors (3) und kleiner als der Durchmesser (D4) eines Umkreises (U4) um die Schaufeln (4) ist,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D5) des Strömungsleitkörpers (5) nach der Formel D5 = D3 + (0,2 ... 0,3) * (D4 - D3), bemessen ist, wobei der Strömungsleitkörper (5) mit konischer Grundgestalt ausgeführt ist, wobei seine Mantelfläche (5a) im Montagezustand in vom Stator (2) wegweisender Richtung divergiert, und wobei die Mantelfläche (5a) des Strömungsleitkörpers (5) in einem Winkel (µ) zu einer Ventilatorlängsachse verläuft, der nicht kleiner ist als 30°.
2. Ventilator (1) nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ausgangsseite (A) am Stator (2) ein Schutzgitter oder ein Tragkreuz befestigt ist.
3. Ventilator (1) nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsleitkörper (5) in das Schutzgitter oder das Tragkreuz integriert ist.
4. Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsleitkörper (5) als anklipsbares, anschraubbares, vernietbares oder anschweißbares Kunststoff- oder Blechteil, insbesondere als anklipsbares Kunststoffteil oder als anschweißbares Blechteil, ausgeführt ist.
5. Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsleitkörper (5) mit kegelstumpfartiger Grundgestalt ausgeführt ist.
6. Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (5a) des Strömungsleitkörpers (5) in einem Winkel (µ) zur Ventilatorlängsachse verläuft, der im Bereich von 55° bis 65° liegt.
7. Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (4) außenseitig von einer konisch in Hauptströmungsrichtung (S) einlaufenden und im weiteren Verlauf, insbesondere hohlzylindrisch ausgebildeten, Leitdüse (8) umgeben sind.

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