EP3571416B1

EP3571416B1 - Gedecktes radialgebläserad mit einer periodisch und asymmetrisch geformten scheibe

Info

Publication number: EP3571416B1
Application number: EP18762797.1A
Authority: EP
Inventors: Jens Müller; Daniel Gebert
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2023-10-04
Anticipated expiration: 2038-08-22
Also published as: WO2019048241A1; CN207777266U; US20200080565A1; DE102017120537A1; US11143197B2; EP3571416A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Radialgebläserad mit einer Vielzahl von in einem Schaufelkranz angeordneten Gebläseradschaufeln sowie zumindest einer die Gebläseradschaufeln axial stirnseitig zumindest abschnittsweise überdeckenden Scheibe.
Radialgebläseräder sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt und werden in einer Vielzahl von Gebläsen mit unterschiedlichen Einsatzzwecken eingesetzt. Dabei ist auch bekannt, dass Strömungsablösungen so weit als möglich zu vermeiden sind, da diese die Effizienz der Gebläse bzw. Ventilatoren reduzieren und zu einer erhöhten Geräuschbildung führen. Typischerweise neigt die Saugseite der Gebläseradschaufeln im Betrieb zu Strömungsablösungen durch Grenzschichtüberlastung, während die Strömung an der Druckseite der Gebläseradschaufeln anliegt.
Zur Erhöhung der Effizienz wurden bereits früher Anstrengungen unternommen, beispielsweise durch Gebläseräder wie sie die DE 10 2010 009 566 A1 offenbart. Derartige Gebläseräder funktionieren in der Praxis sehr gut, jedoch wäre wünschenswert, wenn die Strömung im Bereich der Saugseite der Gebläseradschaufeln noch weiter stabilisiert würde, um zusätzlich positive Effekte bei der Steigerung der Effizienz und Reduzierung der Geräuschbildung zu erreichen.
Weiter ist beispielsweise aus dem Dokument JP 2008 223 741 A ein Radialgebläserad mit asymmetrischer Deckscheibe bekannt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Gebläserad bereit zu stellen, das bei Radialgebläsen zu einer erhöhten Effizienz und verbessertem Geräuschverhalten führt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Radialgebläserad gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Das Radialgebläserad weist eine Vielzahl von in einem Schaufelkranz angeordneten Gebläseradschaufeln sowie zumindest eine die Gebläseradschaufeln axial stirnseitig zumindest abschnittsweise überdeckenden Scheibe auf, wobei zwei benachbarte Gebläseradschaufeln zwischen sich jeweils einen Schaufelkanal bilden, dessen Durchströmungsquerschnitt axial durch die Scheibe begrenzt wird. Die Axialbreite des Schaufelkanals vergrößert sich dabei zumindest entlang eines Außenumfangs des Radialgebläserads ausgehend von einer Saugseite einer den Schaufelkanal begrenzenden Gebläseradschaufel in Richtung einer Druckseite der benachbarten, den Schaufelkanal begrenzenden Gebläseradschaufel bis auf ein Maximum. Zudem liegt das Maximum auf einem Radialschnitt des Gebläserads, der zwischen 65 - 80% des Abstands zwischen der Saugseite der den Schaufelkanal begrenzenden Gebläseradschaufel und der Druckseite der benachbarten, den Schaufelkanal begrenzenden Gebläseradschaufel liegt, so dass die Scheibe in Umfangsrichtung gesehen zwischen zwei benachbarten Gebläseradschaufein eine asymmetrische Form aufweist.
Die erfindungsgemäße asymmetrische Gestaltung der Scheibe des Radialgebläserads führt zu einer Verengung des Schaufelkanals im Bereich der Saugseite der Gebläseradschaufel und zu einer Vergrößerung des Schaufelkanals bzw. seiner Durchströmungsquerschnittsfläche im Bereich der Druckseite der Gebläseradschaufel. Dadurch wird die Strömung im Bereich der Saugseite stabilisiert und eine Strömungsablösung verhindert bzw. minimiert.
Die Vergrößerung des Durchströmungsquerschnitts erfolgt insbesondere ohne den Verlauf des Durchströmungsquerschnitts sprunghaft zu ändern und mithin vorteilhafterweise durch einen stetigen Verlauf der Scheibe in Umfangsrichtung.
Als übliche und vorteilhafte Ausführung wird bei dem Radialgebläserad vorgesehen, dass die Scheibe zwischen allen jeweils benachbarten Gebläseradschaufeln formidentisch ausgebildet ist, so dass auch die zwischen den Gebläseradschaufeln verlaufenden Strömungskanäle jeweils formgleich sind.
Ferner ist eine Ausführung des Radialgebläserads günstig, bei der die Gebläseradschaufeln eine konstante Axialbreite aufweisen, insbesondere am Außenradius des Radialgebläserads. Zudem werden die gesamten Gebläseradschaufeln des Schaufelkranzes in einer vorteilhaften Lösung formidentisch ausgebildet.
Die Axialbreite des jeweiligen Schaufelkanals entlang des Außenumfangs des erfindungsgemäßen Radialgebläserads ist durch die Formeln $B (x) = BS + BE - BE {[(P - X) / P]}^{2} mit X \leq P,$
und $B (x) = BS + BE - BE {[(X - P) / (1 - P)]}^{2} mit X > P, sowie 0 < P < 1,$
bestimmt. Dabei entspricht BS einer Axialbreite des Schaufelkanals an der Gebläseradschaufel, BE der Erweiterung der Axialbreite des Schaufelkanals bis auf das Maximum, P einer Position des Maximums der Axialbreite des Schaufelkanals ausgehend von der Saugseite der den Schaufelkanal begrenzenden Gebläseradschaufel und X einer Umfangsrichtung eines abgewickelten Schnitts entlang der Scheibenkontur, d.h. einem Verlauf entlang der Außenkontur des Radialgebläserads. Gemäß den Formeln steigt die Axialbreite des jeweiligen Schaufelkanals bis zum Maximum an der Position P an und fällt anschließend wieder ab. Die Formeln drücken den Verlauf der Axialbreite des Schaufelkanals in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Gebläseradschaufeln aus. An den benachbarten Gebläseradschaufeln entspricht der Wert der Axialbreite jeweils BS. Im dazwischen liegenden Bereich vergrößert sich Axialbreite des Schaufelkanals um die Erweiterung BE mit dem außermittig liegenden Maximum der Axialbreite B.
Da sich die Strömung an der Saugseite der Gebläseradschaufeln typischerweise an der Deckscheibe ablöst, ist die positive Wirkung der asymmetrischen Vergrößerung der Axialbreite des Durchströmungsquerschnitts des Strömungskanals auf den Wirkungsgrad an der ansaugseiteigen Deckscheibe höher. Deshalb sieht eine vorteilhafte Ausführung vor, dass die Scheibe durch die ansaugseitige Deckscheibe gebildet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, so dass die Scheibe auch durch die Bodenscheibe, welche zumeist auch zumindest Teile der Nabe des Radialgebläserads bildet, realisiert werden kann. Schließlich ist auch eine Ausführungsvariante umfasst, bei der die Vergrößerung der Axialbreite des Durchströmungsquerschnitts des Strömungskanals durch sowohl die Boden- als auch die Deckscheibe mit einer entsprechend beidseitig asymmetrischen Kontur gebildet ist.
Die Gebläseradschaufeln verlaufen vorzugsweise in Umfangsrichtung gekrümmt und schließen bündig mit dem Außenrand der Bodenscheibe und/oder Deckscheibe ab.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel eines Radialgebläserads in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 2: das Ausführungsbeispiel des Radialgebläserads aus Fig. 1 in einer seitlichen Ansicht;
Fig. 3: ein Diagramm zum Verlauf der Axialbreite eines Schaufelkanals entlang der Umfangsrichtung des Radialgebläserads;
Fig. 4: ein Diagramm zum Vergleich des Wirkungsgrads und des Druckverlaufs des Radialgebläserads aus Fig. 1 gegenüber einem Radialgebläserads gemäß dem Stand der Technik aus Fig. 5;
Fig. 5: ein Radialgebläserad gemäß dem Stand der Technik.

Gleiche Bezugszeichen benennen gleiche Teile bzw. Elemente in allen Figu- ren.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Radialgebläserads 1 mit einer Vielzahl von in einem Schaufelkranz angeordneten rückwärts gekrümmten Gebläseradschaufeln 4, deren untere axiale Stirnseiten von der sich parallel zu der senkrecht gegenüber der Rotationsachse des Radialgebläserads 1 verlaufenden Axialebene erstreckenden Bodenscheibe 3 vollständig überdeckt werden. Auf der axial gegenüberliegenden Stirnseite sind die Gebläseradschaufeln 4 mit der ansaugseitigen Deckscheibe 2 teilweise überdeckt, wobei die Gebläseradschaufeln 4 im Bereich der Ansaugöffnung 7 des Radialgebläserads 1 frei liegen und sich mit einer bogenförmigen radialen Stirnkante in Richtung der Bodenscheibe 3 erstrecken. Die Ansaugöffnung 7 wird durch den kreisförmigen Umfangsrand 9 gebildet. Jeweils zwei benachbarte Gebläseradschaufeln 4 bilden zwischen sich jeweils einen Schaufelkanal 5, deren Durchströmungsquerschnitte jeweils durch die Gebläseradschaufeln 4, die ebene Bodenscheibe 3 und die Deckscheibe 2 bestimmt und begrenzt werden. In der gezeigten Ausführung sind alle Gebläseradschaufeln 4 identisch und weisen eine konstante Axialbreite auf. Auch alle Strömungskanäle 5 weisen die identische Form auf, da auch die Deckscheibe 2 zwischen allen jeweils benachbarten Gebläseradschaufeln 4 formidentisch ausgebildet ist.
Die Axialbreite B des jeweiligen Schaufelkanals 5 ist über die Erstreckung in Umfangsrichtung des Radialgebläserads 1 nicht konstant, sondern wird über die Form der Deckscheibe angepasst, so dass sie sich ausgehend von der Saugseite S der Gebläseradschaufel 4 in Richtung der Druckseite D der benachbarten Gebläseradschaufel 4 von einer Axialbreite der Gebläseradschaufel BS bis auf das Maximum M vergrößert und sich anschließend zurück auf die Größe der Axialbreite BS der benachbarten Gebläseradschaufel 4 verringert. Der Verlauf der Deckscheibe 2 ist dabei stetig. Das Maximum liegt außermittig und auf einem Radialschnitt des Radialgebläserads 1, der in der gezeigten Ausführung bei 75% des Abstands zwischen der Saugseite S der Gebläseradschaufel 4 und der Druckseite D der benachbarten Gebläseradschaufel 4, gemessen am Außenradius des Radialgebläserads 1, liegt, so dass die Deckscheibe 2 in Umfangsrichtung gesehen zwischen zwei benachbarten Gebläseradschaufeln 4 eine asymmetrische Form aufweist. Die asymmetrische Form ist insbesondere am Außenradius des Radialgebläserads 1 bestimmt, verläuft aber zudem über eine bestimmte Länge auch radial einwärts, so dass eine dreidimensionale Axialbreitenvergrößerung im radialen Außenbereich der Druckseite D der einzelnen Gebläseradschaufeln 4 vorliegt. Die asymmetrische Form der Deckscheibe 2 geht stetig in der nach radial innen zur Ansaugöffnung 7 weisenden Richtung in eine symmetrische Form über, wobei der an die Ansaugöffnung angrenzende Bund 8 bereits als Ring ausgebildet ist.
In Figur 3 ist ein Diagramm zum Verlauf der Axialbreite B des Schaufelkanals 5 entlang der Umfangsrichtung X des Radialgebläserads 1 aus Fig. 1 an dessen Außenradius und mithin das Verhältnis der Durchströmungsquerschnittsfläche eines der Strömungskanäle 5 am Strömungskanalauslass dargestellt. In Umfangsrichtung gesehen wird die Mitte Z des Schaufelkanals 5 zwischen zwei benachbarten Gebläseradschaufeln 4 durch die Punkt-Strich-Linie dargestellt, wobei links der Mitte Z die Saugseite S und rechts der Mitte Z die Druckseite der Gebläseradschaufeln 4 liegt. Als gestrichelte Linie ist die mittlere Axialbreite MB eingetragen. Zudem ist das Maximum M der Axialbreite B bei 75% des Abstands zwischen der Saugseite S der Gebläseradschaufel 4 und der Druckseite D der benachbarten Gebläseradschaufel 4 als gepunktete Linie eingetragen.
In Figur 4 ist ein Diagramm mit bei identischem Versuchsaufbau gemessenen Kennlinien zum Druckverlauf psf [Pa] und dem Wirkungsgrad nse [%] bei unterschiedlichen Volumenströmen qv [m³/h] des Radialgebläserads 1 gemäß Fig. 1 und des identischen Radialgebläserads 100 nur mit ebener Deckscheibe 200 gemäß Figur 5 dargestellt, wobei die durchgezogenen Kennlinien das Radialgebläserad 1 gemäß Figur 1 mit der Deckscheibe 2 und die fein gepunkteten Kennlinien jeweils das Radialgebläserad 100 gemäß Figur 5 kennzeichnen. Die vorteilhafte Wirkung mit erhöhtem Spitzwirkungsgrad beginnt bereits bei einem Volumenstrom ab ca. 150 m³/h aufwärts. Der überlegene Druckverlauf beginnt bereits bei ca. 225 m³/h. Die Reduzierung der Geräuschbildung liegt im Bereich ab 225 m³/h bei mindestens 5%.
In eine Ausführung gemäß Figur 1 sind alle in der vorliegenden Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale integrierbar bzw. als alternativ beschriebene Merkmale können die zu Figur 1 offenbarten Merkmale ersetzen, ohne dass hierfür ein gesondertes Ausführungsbeispiel gezeigt ist.

Claims

Radialgebläserad (1) mit einer Vielzahl von in einem Schaufelkranz angeordneten Gebläseradschaufeln (4) sowie zumindest einer die Gebläseradschaufein (4) axial stirnseitig zumindest abschnittsweise überdeckenden Scheibe, wobei zwei benachbarte Gebläseradschaufeln (4) zwischen sich jeweils einen Schaufelkanal (5) bilden, dessen Durchströmungsquerschnitt axial durch die Scheibe begrenzt wird, wobei sich eine Axialbreite des Schaufelkanals zumindest entlang eines Außenumfangs des Radialgebläserads (1) ausgehend von einer Saugseite (S) einer den Schaufelkanal (5) begrenzenden Gebläseradschaufel (4) in Richtung einer Druckseite (D) der benachbarten, den Schaufelkanal (5) begrenzenden Gebläseradschaufel bis auf ein Maximum (M) vergrößert, wobei das Maximum auf einem Radialschnitt des Gebläserads liegt, der zwischen 55 - 95% des Abstands zwischen der Saugseite (S) der den Schaufelkanal (5) begrenzenden Gebläseradschaufel und der Druckseite (D) der benachbarten, den Schaufelkanal (5) begrenzenden Gebläseradschaufel (4) liegt, so dass die Scheibe in Umfangsrichtung gesehen zwischen zwei benachbarten Gebläseradschaufeln (4) eine asymmetrische Form aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum (M) auf einem Radialschnitt des Radialgebläserads (1) liegt, der zwischen 65 - 80% des Abstands zwischen der Saugseite (S) der den Schaufelkanal (5) begrenzenden Gebläseradschaufel (4) und der Druckseite (D) der benachbarten, den Schaufelkanal (5) begrenzenden Gebläseradschaufel (4) liegt, wobei die Axialbreite (B) des jeweiligen Schaufelkanals (5) entlang des Außenumfangs des Radialgebläserads (1) durch die Formeln $B (x) = BS + BE - BE {[(P - X) / P]}^{2} mit X \leq P,$
und $B (x) = BS + BE - BE {[(X - P) / (1 - P)]}^{2} mit X > P, sowie 0 < P < 1,$
bestimmt ist, wobei BS einer Axialbreite des Schaufelkanals (5) an der Gebläseradschaufel (4), BE der Erweiterung der Axialbreite des Schaufelkanals bis auf das Maximum, P einer Position des Maximums (M) der Axialbreite des Schaufelkanals (5) ausgehend von der Saugseite (S) der den Schaufelkanal (5) begrenzenden Gebläseradschaufel (4) und X einer Umfangsrichtung eines abgewickelten Schnitts entlang der Scheibenkontur entspricht.
Radialgebläserad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe in Umfangsrichtung einen stetigen Verlauf aufweist.
Radialgebläserad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläseradschaufeln (4) eine konstante Axialbreite (B) aufweisen.
Radialgebläserad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Gebläseradschaufeln (4) am Außenradius des Radialgebläserads (1) eine identische Axialbreite (B) aufweisen.
Radialgebläserad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläseradschaufeln (4) des Schaufelkranzes formidentisch ausgebildet sind und am Außenradius des Radialgebläserads (1) eine identische Axialbreite (B) aufweisen.
Radialgebläserad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe zwischen allen jeweils benachbarten Gebläseradschaufeln (4) formidentisch ausgebildet ist.
Radialgebläserad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Scheibe eine Bodenscheibe (3) und/oder eine ansaugseitige Deckscheibe (2) vorgesehen ist/sind.