EP3289226B1

EP3289226B1 - Einströmdüse für einen radial-, diagonal- oder axialventilator und radial-, diagonal- oder axialventilator mit einer einströmdüse

Info

Publication number: EP3289226B1
Application number: EP16727293.9A
Authority: EP
Inventors: Tobias Gauss; Daniel SEIFRIED; Achim KAERCHER; Andreas Herbert
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2036-04-25
Also published as: US20180142702A1; WO2016173595A1; EP3289226A1; CN107532601B; DE102015207948A1; CN107532601A; US10975884B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einströmdüse für einen Radial-, Diagonal- oder Axialventilator, mit einem im Querschnitt kreisringförmigen, einen Krümmungsradius aufweisenden und sich in Strömungsrichtung im Durchmesser verjüngenden Einströmabschnitt. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Radial-, Diagonal- oder Axialventilator mit einer entsprechenden Einströmdüse.
Axialventilatoren und Radialventilatoren sind aus der Praxis hinlänglich bekannt. Lediglich beispielhaft sei dazu auf die JP H02 185700 A , US 2008/085186 A1 , DE 200 01 746 U1 , US 6,499,948 B1 und DE 10 2012 021 372 A1 verwiesen.
Solche Ventilatoren sind regelmäßig mit einer Einströmdüse oder Einlaufdüse ausgestattet, über die der Ventilator Luft ansaugt, die über eine Einlassöffnung zunächst in den Einlassbereich der Einströmdüse und von dort zum Auslassbereich der Einströmdüse strömt.
Bei einem Axialventilator, der aus dem Freien ansaugt, wird die einströmende Luft über eine solche Einströmdüse geführt. Diese kann mit einem strömungstechnisch optimierten Einströmradius ausgeführt sein. Die Einströmdüse soll die Luftströmung möglichst ohne Turbulenzen und Verluste dem drehenden Axiallaufrad zuführen. Da es keine exakten Ansätze zur Bestimmung der Geometrie einer optimalen Einströmdüse gibt, wird regelmäßig der Einströmradius auf experimentellem Wege, d.h. empirisch, ermittelt, meist in Abhängigkeit baulicher Parameter des Ventilators.
Es ist bekannt, dass es bei nicht ausreichend großen Radien zu Strömungsablösungen im Einströmbereich bzw. im Bereich des Einströmradius kommen kann. Diese Strömungsablösungen interagieren mit dem drehenden Laufrad, wobei solche Interaktionen zu erhöhten Schallwerten und zu Leistungsverlusten führen. Aufgrund von Einbaubedingungen in der jeweiligen Anwendung des Ventilators kann ein kleiner Einströmradius erforderlich sein. Obendrein sind nicht selten Anflanschmaße für die Düsen kundenseitig vorgegeben, die bei der Dimensionierung des Ventilators bzw. der Einströmdüse einzuhalten sind.
Eine Reduzierung der Düsenhöhe und/oder der Anflanschmaße ohne weitere Leistungsverluste würde enorme Vorteile bieten, nämlich im Rahmen einer Reduzierung des Bauraums bzw. der Bauhöhe des Ventilators.
Es ist von grundsätzlicher Bedeutung, dass bei einem kleineren Einströmradius die gesamte Baugröße der Einströmdüse, insbesondere die Düsenhöhe und/oder der Anflanschmaße, reduziert werden können, was wiederum zu Materialeinsparungen führt.
Aus der zuvor bereits erwähnten DE 10 2012 021 372 A1 sind Maßnahmen im Auslassbereich der Einströmdüse bekannt, wonach die Wandung des Auslassbereichs aus hintereinander liegenden Wandabschnitten besteht, die jeweils über eine über den Umfang der Wandabschnitte verlaufende Kante aneinander anschließen. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Maßnahmen nur bedingt geeignet sind, die störenden Strömungsablösungen, die zu erhöhten Schallwerten und Leistungsverlusten führen, zu eliminieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einströmdüse für einen Radial-, Diagonal oder Axialventilator und einen Radial-, Diagonal oder Axialventilator mit einer entsprechenden Einströmdüse anzugeben, die/der geeignet ist, die im Stand der Technik auftretenden Nachteile, hervorgerufen durch ungewollte Strömungsablösungen, zu vermeiden, zumindest aber zu reduzieren, nämlich zur Reduktion von Schallwerten und Leistungsverlusten.
Voranstehende Aufgabe ist in Bezug auf die Einströmdüse durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist die gattungsbildende Einströmdüse gekennzeichnet durch eine Maßnahme oder ein Strömungselement an oder in der gekrümmten Oberfläche des Einströmabschnitts, insbesondere zur Erzwingung turbulenter Grenzschichten in der Strömung, die einer Strömungsablösung in diesem Bereich entgegenwirkt/entgegenwirken können.
Ein mit einer solchen Einströmdüse ausgestatteter Radial-, Diagonal- oder Axialventilator ist durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 7 gekennzeichnet, mit den gleichen Merkmalen wie die erfindungsgemäße Einströmdüse. Die erfindungsgemäße Einströmdüse löst ein Problem, welches ganz überwiegend bei Einströmdüsen mit kleinen Radien im Einströmabschnitt auftritt, auch bei optimiertem Einströmradius. Es lässt sich nämlich im Stand der Technik nicht vermeiden, dass insbesondere bei kleinen Radien Strömungsablösungen im Einströmradius auftreten, die zu Turbulenzen in der Strömung führen. Diese Turbulenzen werden dem drehenden Lüfterrad zugeführt und führen dort zu erheblichen Verlusten.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die erfindungsgemäße Einströmdüse einen Krümmungsradius aufweist, so dass hier von einer Einströmdüse "mit Radius" die Rede ist. Der Begriff "Krümmungsradius" ist im weitesten Sinne zu verstehen. Der "Radius" kann sich aus mehreren Teilradien zusammensetzen, jeweils mit stetigem oder unstetigem Übergang zwischen den Teilradien.
Bei hinreichend großem Radius lässt sich dieser in Bezug auf Geräuschentwicklung und Leistung optimieren. Bei kleiner werdenden Radien ist dies problematisch, so dass die erfindungsgemäße Maßnahme insbesondere bei kleinen Radien greift. Die durch Schallleistungsmessungen an unterschiedlichen Geometrien ermittelbaren Auswirkungen geometrischer Maßnahmen lassen erkennen, dass es möglich ist, auch an kleinen Radien Strömungsablösungen zu verhindern, nämlich dann, wenn im Einströmbereich, d.h. im Krümmungsradius (oder im jeweiligen Teilradius) beispielsweise turbulente Grenzschichten erzwungen werden, die einer Strömungsablösung entgegenwirken können.
In ganz besonders vorteilhafter Weise weist der gekrümmte Einströmabschnitt einen ringförmigen Rücksprung im Sinne einer zonalen Erweiterung dieses Bereichs auf, nämlich einen in der Innenfläche des Einströmabschnitts ringförmig verlaufender Bereich, der im Sinne eines Strömungselementes wirkt, das einer Strömungsablösung entgegenwirkt, oder diese zumindest verzögert.
Anstelle eines einzigen Rücksprungs können auch zwei oder mehrere zueinander beabstandete Rücksprünge vorgesehen sein, je nach Bedarf, resultierend aus dem zu realisierenden Radius entsprechend der gewünschten Baugröße.
Der Rücksprung bzw. die Erweiterung ist erfindungsgemäß als zurückspringende Kante realisiert, wobei hier die Überlegung zugrunde liegt, dass eine zurückspringende Kante die Strömung zunächst ablöst, wobei sich die Hauptströmung dann aber wieder an die abgesetzte Geometrie anlegt. Dies erfolgt durch einen Wirbel, der die Hauptströmung im Bereich der Ablösung regelrecht ansaugt (Quelle: Nitsche, W.: Strömungsmesstechnik, Springer-Verlag 1994 (geometrisch induzierte Ablösung)). Die Erweiterung im Radius des Einströmabschnitts ist als nach außen zurückspringende Kante ausgeführt. Entsprechend ist die Kante durch zwei Abwinkelungen bzw. Abkantungswinkel gebildet, nämlich durch die Abkantungswinkel α und β mit der Vorschrift 180° < α < 270° und 180° > β > 90°. In diesem Bereich ergeben sich ganz besonders günstige Strömungsverhältnisse.
Bei Vorkehrung eines einzigen Rücksprungs ist es von Vorteil, wenn dieser etwa mittig oder im inneren Drittel des Einströmabschnitts ausgebildet ist, um nämlich die Strömung in Bezug auf die Erzwingung turbulenter Grenzschichten und somit zur Vermeidung von Strömungsablösungen optimal zu begünstigen.
Die Einströmdüse kann insgesamt aus Kunststoff gefertigt sein. Im Rahmen einer einfachen Ausgestaltung bietet es sich an, die Einströmdüse aus Metall, insbesondere aus Blech, zu fertigen, unter Zugrundelegung üblicher Fertigungsverfahren zur Herstellung von Blechteilen. Dabei kann die Erweiterung bzw. der ringförmige Rücksprung größer als die Wanddicke des Blechs sein, um eine hinreichende Stabilität zu gewährleisten. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Länge des Rücksprungs größer ist als die Tiefe des Rücksprungs, um nämlich die Strömungsverhältnisse dahingehend zu begünstigen, dass das gleich nach dem Rücksprung definierte Ablösegebiet für die Strömung in einem geeigneten Verhältnis zur Länge des Rücksprungs und dem Wiederanlegepunkt der Strömung steht. Der Rücksprung kann beispielsweise durch Tiefziehen oder Prägen des Blechs generiert werden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: in einer schematischen Ansicht, geschnitten, ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Einströmdüse mit Radius,
Fig. 2: in einer perspektivischen Ansicht eine zum Stand der Technik gehörende Einströmdüse gemäß Fig. 1,
Fig. 3: in schematischen Ansichten, teilweise, das Profil einer erfindungsgemäßen Einströmdüse (untere Darstellung) und im Detail, vergrößert, die erfindungsgemäße Maßnahme im Bereich der gekrümmten Oberfläche, d.h. des Radius,
Fig. 4: in einer schematischen Teilansicht den Einströmabschnitt nebst Rücksprung,
Fig. 5: in einer Detailansicht (Detail X) Gegenstand aus Fig. 4 und
Fig. 6: in schematischen Ansichten den Einströmabschnitt herkömmlicher Einströmdüsen ohne die Strömung beeinflussende Maßnahmen (a) und b)) und in einer schematischen Ansicht die erfindungsgemäße Einströmdüse mit Rücksprung bzw. Kante im Einströmabschnitt (c)).

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Einströmdüse 1 mit Radius Ra. Die Einströmdüse 1 umfasst einen Befestigungsflansch 2 und einen Einströmabschnitt 3 mit gekrümmter Oberfläche 5, wobei der Radius Ra eine ganz besondere Wirkung auf die einströmende Luft 4 hat.
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht, eine aus dem Stand der Technik bekannte Einströmdüse 1 mit Radius Ra, wobei dort der Einströmabschnitt 3 mit gekrümmter Oberfläche 5 sowie der Befestigungsflansch 2 erkennbar sind.
Fig. 3 zeigt in einer unteren Darstellung, teilweise, das Profil der erfindungsgemäßen Einströmdüse 1 im Bereich des Radius Ra, d.h. den Einströmabschnitt 3 mit der gekrümmten Oberfläche 5 auf der Innenseite der Einströmdüse 1. Es ist erkennbar, dass dort eine die Strömung beeinflussende Maßnahme vorgesehen ist, nämlich ein Rücksprung 6, der als zurückspringende, umlaufende Kante ausgebildet ist.
Die darüber angeordnete Detailansicht zeigt den Einströmabschnitt 3 und den Rücksprung 6, dessen Tiefe kleiner ist als die Länge bzw. Breite in Strömungsrichtung 7 der einströmenden Luft.
Der Rücksprung 6 kann in Bezug auf die einströmende Luft turbulente Grenzschichten in der Strömung verursachen, die der problematischen Strömungsablösung und somit einer Geräuschentwicklung und einem Leistungsverlust entgegenwirken.
Fig. 4 zeigt in vergrößerter Darstellung den Einströmabschnitt 3 einer erfindungsgemäßen Einströmdüse mit Vermaßung, mit folgender Legende:

R =: Düseninnenradius
r =: Anfang des Strömungselements
R' =: Anfang des Einströmradius
R" =: Abstand, an dem die Düse ohne Leistungsverlust gekürzt werden kann
t =: Wandstärke
t'=: Tiefe des Strömungselements
L =: Länge des Strömungselements
ϕ =: Winkel der Entformschräge
A =: Rotationsachse

R < r < R' < R"
t > t'
L > t'

R^∗1,01 ≤ r ≤ R^∗1,49
R^∗1,01 ≤ R' ≤ R^∗1,50
R^∗1,02 ≤ R" ≤ R^∗1,51
t^∗0,01 ≤ t' ≤ t^∗0,95
t^∗0,50 ≤ L ≤ t^∗25,00 $- 90 ° \leq ∢ φ \leq + 45 °$

R^∗1,02 ≤ r ≤ R^∗1,10
R^∗1,07 ≤ R' ≤ R^∗1,15
R^∗1,10 ≤ R" ≤ R^∗1,18
t^∗0,1 ≤ t' ≤ t^∗0,4
t^∗1,00 ≤ L ≤ t^∗10,00
$1 ° \leq ∢ φ \leq 10 °$
in Bezug zur Rotationsachse A des Lüfterrads.

Voranstehende Abmessungen/Grenzen und Verhältnisse sind als vorteilhafte Ausprägungen der erfindungsgemäßen Lehre zu verstehen.
Fig. 5 zeigt das in Fig. 4 markierte Detail X mit entsprechender Beschriftung, woraus sich die Abmessungen/Grenzen ergeben. Abermals vergrößert sind die Winkel α, β dargestellt, die erkennen lassen, dass die Erweiterung als zurückspringende Kante (6) mit Abkantungswinkeln 180° < α < 270°und 180° > β > 90° ausgeführt ist.
Fig. 6 zeigt schließlich im Vergleich das Profil zweier herkömmlicher Einströmdüsen 1 im Bereich des Einströmabschnitts 3 mit unterschiedlichen Radien Ra, wobei die Zuströmung durch einen Pfeil 7, die strömende Luft symbolisierend, gekennzeichnet ist, wobei Variante b) mit kleinerem Radius ausgeführt ist und dadurch zu Leistungsverlusten und erhöhten Schallwerten führt. Variante c) zeigt die erfindungsgemäßen Einströmdüse 1 mit dem zuvor erörterten Rücksprung 6 im Bereich der gekrümmten Oberfläche 5, wodurch die erfindungsgemäße Wirkung hervorgerufen wird, und dies bei einfachster Konstruktion und Fertigung.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lehre lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Bezugszeichenliste

1: Einströmdüse
2: Befestigungsflansch
3: Einströmabschnitt
4: Pfeil, Strömungsrichtung der Luft
5: gekrümmte Oberfläche
6: Rücksprung, Kante
7: Strömungsrichtung, Zuströmung

R: Radius (Düseninnenradius)
Ra: Radius

Claims

Einströmdüse für einen Radial-, Diagonal- oder Axialventilator, mit einem im Querschnitt kreisringförmigen, einen Krümmungsradius aufweisenden und sich in Strömungsrichtung (4) im Durchmesser verjüngenden Einströmabschnitt (3), wobei eine Maßnahme oder ein Strömungselement an oder in der gekrümmten Oberfläche (5) des Einströmabschnitts (3) vorgesehen ist, insbesondere zur Erzwingung turbulenter Grenzschichten in der Strömung, die einer Strömungsablösung in diesem Bereich entgegenwirkt/entgegenwirken können,
dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahme oder das Strömungselement eine Erweiterung bzw. ein Rücksprung ist, die bzw. der als zurückspringende Kante (6) mit Abkantungswinkeln 180° < α < 270° und 180° > β > 90° ausgeführt ist, wobei die Kante (6) durch die Abkantungswinkel α und β gebildet ist, wobei α ein überstumpfer Winkel ist und wobei β ein in Strömungsrichtung (4) dem Abkantungswinkel α nachgeordneter stumpfer Winkel ist.
Einströmdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte Einströmabschnitt (3) einen ringförmigen Rücksprung (6) im Sinne einer zonalen Erweiterung dieses Bereichs aufweist.
Einströmdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere zueinander beabstandete Rücksprünge (6) vorgesehen sind.
Einströmdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücksprung (6) in etwa mittig oder im inneren Drittel des Einströmabschnitts (3) ausgebildet ist.
Einströmdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmdüse (1) aus Metall, insbesondere aus Blech, oder aus Kunststoff gefertigt ist.
Einströmdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einströmdüse (1) aus Blech hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücksprung (6) größer als die Wanddicke des Blechs und/oder dass die Länge des Rücksprungs (6) größer als die Tiefe des Rücksprungs (6) ist.
Radial-, Diagonal- oder Axialventilator, mit einem drehangetriebenen Laufrad zur Erzeugung eines Luftstroms und einer ansaugseitigen Einströmdüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.