EP3789617A1

EP3789617A1 - Ventilator

Info

Publication number: EP3789617A1
Application number: EP20188426.9A
Authority: EP
Inventors: Frieder Lörcher
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2021-03-10
Also published as: DE102019213315A1

Abstract

Ventilator mit mindestens einem elektrischen Motor und aerodynamisch wirksamen Bauteilen oder Elementen, die mindestens ein mit Flügeln bestücktes Laufrad umfassen, wobei zur Umkehrbarkeit der Förderrichtung ein Teil der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente aufgrund seiner Anordnung oder Ausrichtung hauptsächlich einer Förderrichtung und ein anderer Teil der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente aufgrund seiner Anordnung oder Ausrichtung hauptsächlich der anderen entgegengesetzten Förderrichtung zuordenbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilator mit mindestens einem elektrischen Motor und aerodynamisch wirksamen Bauteilen oder Elementen. Zu den aerodynamisch wirksamen Bauteilen oder Elementen gehört zumindest ein mit Flügeln bestücktes Laufrad. Eine Umkehr der Luft-Förderrichtung soll möglich sein.
In zahlreichen Anwendungen von Ventilatoren ist ein Ventilatorbetrieb mit wechselnden Förderrichtungen erforderlich, möglichst bei hohen Leistungen und Wirkungsgraden für beide Förderrichtungen. Auf hohe Luftleistungen und hohe Wirkungsgrade ausgelegte Ventilatorlaufräder sind regelmäßig nicht geeignet, bei hinreichend guter Luftleistung und Effizienz in beiden Drehrichtungen betrieben zu werden. Folglich scheiden solche Ventilatorlaufräder für solche Anwendungen aus.
Aus der Praxis sind spezielle Laufradgeometrien bekannt, die bezüglich der Drehrichtung symmetrisch sind. Diese sind für den Reversierbetrieb grundsätzlich geeignet, haben jedoch Wirkungsgrade, die für einen Betrieb in eine Vorzugsrichtung nicht wettbewerbsfähig sind.
Der aus der Praxis bekannte Stand der Technik liefert folgende Ansätze:

Laufräder bzw. Flügel mit symmetrischer, reversierbarer Geometrie, beispielsweise mit im Querschnitt S-förmigen Flügeln;
Realisierung eines Reversierbetriebs mit parallelen Ventilatoren, meist unter Einsatz ansteuerbarer Verschlussklappen;
Betrieb eines Ventilators mit Vorzugsdrehrichtung als Reversierlüfter, stets unter Akzeptanz schlechter Wirkungsgrade für die nicht bevorzugte Förder- /Drehrichtung;
Realisierung eines Reversierbetriebs mittels mechanischem "Umschwenken" eines Ventilators, mit erheblichem mechanischem Aufwand und
Realisierung eines Reversierbetriebs durch Klappenumstellungen in einem Luftführungssystem.

Zum druckschriftlichen Stand der Technik, insbesondere in Bezug auf die Vorkehrung zweier unabhängiger Ventilatoren zur wahlweisen Umkehr der Luft-Förderrichtung, sei lediglich beispielhaft auf die US 2014/363272 A verwiesen. Die dortige Ausgestaltung ist jedoch unverhältnismäßig aufwändig in der Konstruktion.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für den Reversierbetrieb geeigneten Ventilator, ganz gleich welcher Bauart, zu schaffen, der bei hohen Wirkungsgraden zur Förderung in beide Förderrichtungen geeignet ist. Dabei sollen aerodynamisch wirksame Bauteile oder Elemente, insbesondere Laufräder oder Flügel, nutzbar sein, die bei Ventilatoren mit hohen Wirkungsgraden mit Vorzugsdrehrichtungen eingesetzt werden. Verschlussklappen oder sonstige zusätzliche Bauteile sollen nicht erforderlich sein. Außerdem soll sich das Design eines solchen Ventilators von wettbewerblichen Ventilatoren unterscheiden.
Voranstehende Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist der gattungsbildende Ventilator derart ausgestaltet und weitergebildet, dass zur Umkehr der Luft-Förderrichtung zumindest ein Teil der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente hauptsächlich für die eine Förderrichtung und ein anderer Teil der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente hauptsächlich für die andere Förderrichtung angeordnet oder ausgerichtet ist. Dabei sind die aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente so ausgelegt und angeordnet, dass sie insgesamt im Zusammenspiel in beide Förderrichtungen mit hohen Wirkungsgraden arbeiten, wobei zur Umkehr der Luft-Förderrichtung entweder die Drehrichtung eines oder mehrerer Motoren geändert wird und/oder Motoren an bzw. ausgeschaltet werden, die für die Drehrichtung der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente verantwortlich sind. Alle Laufräder des Ventilators haben eine gemeinsame Drehachse. Dadurch ist der Ventilator in Richtungen quer zu dieser Achse sehr kompakt.
Im Rahmen einer einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre ist es denkbar, dass zur Umkehr der Luft-Förderrichtung die Rotationsrichtung des Laufrads umkehrbar ist. Dabei ist ein Teil der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente hauptsächlich für die eine Drehrichtung ausgelegt angeordnet und ein anderer Teil der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente hauptsächlich für die andere Drehrichtung. Es kann sich dabei beispielsweise um einen reversierbaren Axialventilator handeln, dessen Laufrad mit geometrisch gleichen oder ähnlichen Einzelflügeln aufgebaut ist, die paarweise wechselnd jeweils für die eine und die andere Förderrichtung orientiert eingebaut sind.
Im Konkreten ist zur Änderung der Drehrichtung des Laufrads die Drehrichtung des Motors änderbar und/oder sind die für die jeweilige Drehrichtung verantwortlichen Motoren ein- und ausschaltbar.
Das Laufrad ist mit auf die jeweilige Laufrichtung optimierten Flügeln ausgestattet, wie dies bei in eine Förderrichtung optimierten Flügeln bzw. Laufrädern der Fall ist. Das Laufrad ist in Bezug auf den Flügelwinkel und/oder auf das Flügel- bzw. Laufraddesign optimiert. Auch ist es denkbar, dass der Flügelwinkel auf dem Laufrad einstellbar bzw. verstellbar ist.
In ganz besonders vorteilhafter Weise sind die Flügel abwechselnd für die eine und die andere Laufrichtung, insbesondere abwechselnd zueinander um 180° bezüglich einer Querachse, vorzugsweise zu einer Querachse orthogonal zur Ventilator- oder Motorachse, verdreht zueinander angeordnet.
Die Winkelstellung der Flügel kann bei den den beiden Förderrichtungen zuordenbaren Flügeln identisch, oder dem Bedarf entsprechend, unterschiedlich eingestellt oder einstellbar sein. Eine optimale Anpassung an den in beide Förderrichtungen bestehenden Bedarf ist möglich.
Im Rahmen einer weiteren Variante ist es möglich, dass mindestens zwei mit Flügeln bestückte identische oder unterschiedliche Laufräder vorgesehen sind, die in Förderrichtung hintereinander angeordnet und drehfest miteinander verbunden sind. Die beiden Laufräder sind bezüglich einer Querachse bzw. Radialachse um 180° zueinander verdreht. Auch hier können bei Bedarf die Flügelwinkel unterschiedlich ausgelegt sein. Gleiches gilt für das Laufraddesign. Eine bedarfsgerechte Anpassung bzw. Abstimmung ist möglich.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre ergibt sich dadurch, dass zwei Teilventilatoreinheiten in Förderrichtung hintereinander angeordnet sind, die jeweils mindestens ein Laufrad und ggf. ein Gehäuse oder Gehäuseteil umfassen.
Die beiden Teilventilatoreinheiten sind bezüglich einer Querachse bzw. Radialachse um 180° zueinander verdreht. Es kann allerdings ein gemeinsamer Motor für beide Teilventilatoreinheiten vorgesehen sein. Jede Teilventilatoreinheit kann auch einen separaten Antrieb bzw. Motor aufweisen. Die beiden Teilventilatoreinheiten sind für jeweils eine Förderrichtung betreibbar.
In besonders vorteilhafter Weise ist es möglich, dass das Laufrad der in Förderrichtung jeweils nachgeschalteten Teilventilatoreinheit antriebsfrei mitdreht. Dieses antriebsfrei mitdrehende Laufrad kann zur Volumenstrommessung genutzt werden.
Es ist denkbar, dass die Drehzahlen der Laufräder der beiden Teilventilatoreinheiten synchronisiert sind. Es ist auch denkbar, dass, vorteilhaft betriebspunktabhängig, die beiden Drehzahlen so aufeinander abgestimmt sind, dass der Wirkungsgrad möglichst hoch oder die Lärmentstehung möglichst klein sind.
Auch ist es denkbar, dass das jeweils antriebsfrei mitdrehende Laufrad zumindest für einen vorzugsweise definierbaren Betriebsbereich generatorisch betrieben wird. Die generatorisch gewonnene Energie/Leistung kann auf den jeweils anderen Motor elektrisch, beispielsweise über einen Zwischenkreis, oder mechanisch, beispielsweise über eine mechanische Kopplung bzw. eine Wellenverbindung, transferiert werden.
Zumindest ein Teil der generatorisch gewonnenen Energie/Leistung kann außerdem in das Stromnetz eingespeist werden.
In besonders vorteilhafter Weise kann die Drehzahl des mitdrehenden Laufrads überwacht und zur Regelung der angetriebenen Teilventilatoreinheit genutzt werden. Eine solche Reglung dient beispielsweise zur Vermeidung allzu hoher Schwingungen. Dies kann die Lagerlebensdauer sowie die Standzeit bzw. Dauerfestigkeit begünstigen.
Schließlich ist es denkbar, dass zumindest eine der Teilventilatoreinheiten Haltemittel oder eine Trageinrichtung umfasst, die beispielsweise als Nachleiteinrichtung ausgeführt sein kann oder zur Anbringung einer solchen dient.
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 bevorzugter Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ventilators anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: in perspektivischer Ansicht ein Laufrad eines erfindungsgemäßen Ventilators mit 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Achse quer zur Ventilatorachse, im Wesentlichen aufgebaut aus zwei Laufrädern, welche jeweils für sich gesehen keine 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Achse quer zur Ventilatorachse aufweisen,
Fig. 2: in einer Draufsicht von der Seite gesehen das Laufrad gemäß Fig. 1,
Fig. 3: in einer Draufsicht von der Zuström- oder Abströmseite gesehen das Laufrad gemäß Fig. 1 und 2,
Fig. 4: in perspektivischer Ansicht und in einem Schnitt an einer Ebene durch die Ventilatorachse das Laufrad gemäß Fig. 1 bis 3,
Fig. 5: in perspektivischer Ansicht ein Laufrad eines erfindungsgemäßen Ventilators mit 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Achse quer zur Ventilatorachse, im Wesentlichen aufgebaut aus einer Nabe und identischen Flügeln, welche jeweils für sich gesehen keine 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Achse quer zur Ventilatorachse aufweisen,
Fig. 6: in einer Draufsicht von der Zuström- oder Abströmseite aus gesehen das Laufrad gemäß Fig. 5,
Fig. 7: in einer Draufsicht von der Seite gesehen das Laufrad gemäß Fig. 5 und 6,
Fig. 8: in perspektivischer Ansicht einen erfindungsgemäßen Ventilator mit 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Achse quer zur Ventilatorachse, im Wesentlichen aufgebaut aus Laufrädern und Gehäusen mit integrierten Nachleiträdern, welche jeweils für sich gesehen keine 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Achse quer zur Ventilatorachse aufweisen, sowie zwei Elektromotoren,
Fig. 9: in seitlicher Ansicht und in einem Schnitt an einer Ebene durch die Ventilatorachse den Ventilator gemäß Fig. 8, und
Fig. 10: ein Diagramm, bei dem ein Vergleich von Luftleistung und Wirkungsgrad eines für eine Förderrichtung vorgesehenen Referenzventilators und eines vergleichbaren reversierbaren Ventilators dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Laufrad 2 eines erfindungsgemäßen Ventilators mit 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Achse quer zur Ventilatorachse. Das Laufrad 2 ist im Wesentlichen aufgebaut aus zwei asymmetrischen Teillaufrädern 3a und 3b, welche jeweils für sich gesehen keine 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Achse quer zur Ventilatorachse aufweisen und deshalb für Reversierbetrieb nur bedingt geeignet sind. Die Teillaufräder 3a und 3b weisen für sich gesehen unterschiedliche Entwurfsförderrichtungen auf, wobei die Entwurfsförderrichtung von Teillaufrad 3a entlang der Ventilatorachse etwa von links nach rechts in der Darstellung gemäß Fig. 1 verläuft, diejenige von Teillaufrad 3b entlang der Ventilatorachse etwa von rechts nach links verläuft. Die Entwurfsförderrichtungen der asymmetrischen Teillaufräder 3a und 3b sind demnach um etwa 180° bezüglich einer Querachse zueinander rotiert. Das Laufrad bzw. die Teillaufräder sind im Ausführungsbeispiel jeweils aus einer Nabe 7 mit jeweils 9 Einzelflügeln 6 aufgebaut. Die Flügel 6 haben Füße 8, an denen sie zwischen zwei Nabenhälften 9 eingeklemmt sind. Die Nabenhälften sind mit Schrauben 10 miteinander verbunden.
Die Teillaufräder 3a und 3b weisen für sich gesehen keine 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Querachse auf. Im gezeigten Verbund weist aber das Gesamtlaufrad 2 eine solche Rotationssymmetrie auf. Das Gesamtlaufrad besteht im Wesentlichen aus Teillaufrad 3a und einem um 180° bezüglich einer Querachse (Radialachse) dazu verdrehten, aber ansonsten baugleichen Teillaufrad 3b, die rotationsfest miteinander verbunden sind. Die genannte Querachse (Radialachse) verläuft senkrecht zur Rotationsachse des Ventilators. Die 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Querachse hat zur Folge, dass durch Umkehr der Drehrichtung des Ventilators die Förderrichtung bei im Wesentlichen gleichen aerodynamischen Eigenschaften umgekehrt wird.
Die Flügelhinterkanten 12 der Flügel 6 des Teillaufrades 3a sind den Flügelhinterkanten 12 der Flügel 6 des Teillaufrades 3b zugewandt. Die Flügelvorderkanten 11 der Flügel 6 des Teillaufrades 3a sind den Flügelvorderkanten 11 der Flügel 6 des Teillaufrades 3b abgewandt. Je nach Drehrichtung des Gesamtlaufrades 2 tritt die Luft von rechts bzw. links in das Laufrad 2 ein und trifft zunächst auf die Vorderkanten 11 der Flügel 6 des Teillaufrades 3a bzw. 3b. Danach durchströmt die Luft den Bereich des Teillaufrades 3a bzw. 3b, passiert den Bereich der einander zugewandten Hinterkanten 12 ehe sie das Laufrad 2 im Bereich der Vorderkanten von Teillaufrad 3b bzw. 3a verlässt.
In Fig. 2 ist in seitlicher Draufsicht das Laufrad 2 gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 dargestellt. Man erkennt, dass die beiden Teillaufräder im Bereich ihrer Naben 7 mit einem Verbindungselement 13 rotationsfest miteinander verbunden sind. Mit einem Verbindungselement Nabe-Motorwelle 14 kann das Gesamtlaufrad 2 beispielsweise an einer Motorwelle eines Antriebsmotors befestigt werden.
Die Hinterkanten 12 der Flügel 6 der beiden Teillaufräder 3a und 3b sind einander zugewandt und liegen sehr nah beieinander. Dies gilt hinsichtlich der Luftförderrichtung (Ventilatorachsenrichtung), aber vorteilhaft wie im Ausführungsbeispiel auch bezüglich der Umfangsrichtung. Dadurch werden die aerodynamischen Verluste minimiert, da die Flügelhinterkanten 12 der Flügel 6 des stromab liegenden Teillaufrads 3b bzw. 3a (je nach Drehrichtung des Ventilators) etwa in der Nachströmdelle der stromauf liegenden Flügel 6 des Teillaufrades 3a bzw. 3b liegen.
Die beiden Teillaufräder 3a und 3b können, jeweils für sich gesehen, mit guter Effizienz und niedriger Schallentstehung in einem Ventilator mit einer Förderrichtung (ohne Reversierbetrieb) verwendet werden. Hier ergibt sich ein wichtiger Vorteil der Erfindung dahingehend, dass identische Bauteile für einen Ventilator ohne Reversierbetrieb verwendet werden können, aber auch, falls nötig, zu einem Ventilator zusammengebaut werden, der für einen Reversierbetrieb geeignet ist.
Allerdings werden für das gezeigte Laufrad 2 wesentlich mehr Bauteile benötigt (Flügel 6, Nabenhälften 9) und das Gewicht wird höher. Die Luftförderleistung steigt bei gleichbleibender Drehzahl im Vergleich zu einem Einzellaufrad, das nur aus einem Teillaufrad 3a bzw. 3b besteht, zumindest leicht an.
Die Staffelwinkel (Anstellwinkel) der Flügel 6 im Ausführungsbeispiel können eingestellt werden, bevor die Nabenhälften 9 mit den Flügelfüßen 8 verklemmt werden. Dadurch kann ein Laufrad 3a, 3b optimal an einen erforderlichen Betriebspunkt einer Applikation angepasst werden.
Es ist weiter vorteilhaft, die Teillaufräder 3a und 3b unterschiedlich auszuführen, beispielsweise hinsichtlich der Staffelwinkeleinstellungen der jeweiligen Flügel, falls unterschiedliche Anforderungen für die beiden Förderrichtungen gelten. Dann ist eine 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Querachse streng genommen nicht mehr gegeben, da auch keine aerodynamische Symmetrie bezüglich der Förderrichtungen gegeben ist. Eine solche Konstruktion wird aber dennoch als ein annähernd eine 180° Rotationssymmetrie bzgl. einer Querachse aufweisendes Gesamtlaufrad 2 angesehen.
Vorteilhaft ist die Zahl der Flügel 6 für beide Teillaufräder 3a und 3b identisch.
In Fig. 3 ist in einer Draufsicht von einer Zu- bzw. Abströmrichtung aus gesehen das Gesamtlaufrad 2 der Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 dargestellt. Beide Teillaufräder 3a und 3b sind hier aus jeweils 9 Flügeln 6 aufgebaut. Es können vorteilhaft 2-13 Flügel 6 sein. Die Hinterkanten 12 der Flügel 6 sind im Ausführungsbeispiel gewellt bzw. gezackt gestaltet. Man erkennt in der Darstellung am Verbindungselement Nabe-Motorwelle 14 die Kontur einer Passfeder-Verbindung. Die Außendurchmesser der beiden Teillaufräder 3a und 3b sind identisch. Dadurch kann das Gesamtlaufrad mit etwa konstantem Kopfspalt (=Abstand der Flügel 6 zu einer Gehäusewand, in der sie eingebaut werden) in einem zylindrischen Gehäuse laufen.
In Fig. 4 ist in perspektivischer Ansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Ventilatorachse gesehen das Gesamtlaufrad 2 eines erfindungsgemäßen Ventilators gemäß den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Das Verbindungselement 14 der Naben der beiden Teillaufräder 3a und 3b wird im Ausführungsbeispiel mit den Naben 7 mit Schrauben 10 verschraubt. Das Verbindungselement 14 ist innen hohl.
Es ist auch denkbar, dass ein Laufrad 2 von zwei Motoren angetrieben wird. Dann wird an beiden Naben ein Verbindungselement Nabe-Motorwelle 14 benötigt. Die Verbindung der Teillaufräder kann auch auf andere Art und Weise erfolgen. Es ist auch denkbar, dass sie über einen Motor verbunden sind, der beispielsweise beidseitig eine Abtriebswelle aufweist.
In Fig. 5 ist in perspektivischer Draufsicht ein Laufrad 2 einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilators dargestellt. Im Vergleich zur Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 4 weist das Laufrad nur eine Nabe 7 mit den zwei Nabenhälften 9 auf. Es sind allerdings die eine Hälfte der Flügel 6b um 180° rotiert bezüglich einer Querachse zur anderen Hälfte der Flügel 6a angeordnet. Die Flügel 6a sind entsprechend einer Förderrichtung von rechts nach links angeordnet, während die Flügel 6b entsprechend einer Förderrichtung von links nach rechts angeordnet sind. Für sich gesehen sind die Flügel 6a, 6b asymmetrisch, d.h. sie weisen keine annähernde 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Querachse auf.
Die Vorderkanten 11 der Flügel 6b liegen in der gezeigten Darstellung dementsprechend eher stromauf der Hinterkanten 12 dieser Flügel 6b bezüglich einer Luftförderrichtung eher von links nach rechts, während die Vorderkanten 11 der Flügel 6a in der gezeigten Darstellung eher stromauf der Hinterkanten 12 dieser Flügel 6a bezüglich einer Luftförderrichtung eher von rechts nach links liegen.
Eine Interpretationsmöglichkeit ist dadurch gegeben, dass das Laufrad 2, bestehend aus insgesamt 6 Flügeln, eine Kombination zweier Teillaufräder ist, wobei das eine aus den 3 Flügeln 6b aufgebaut ist und einer Förderrichtung eher von links nach rechts entspricht und das andere aus den 3 Flügeln 6a aufgebaut ist und einer Förderrichtung eher von rechts nach links entspricht. Im Unterschied zur Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 4 ist hier allerdings nur eine Nabe 7 vorhanden, auf der alle Flügel 6a, 6b aufgebracht sind. Dies ist aus Kostengründen und aus Gewichtsgründen ein Vorteil im Vergleich zur Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 4. Nachteilig ist allerdings, dass die benachbarten Flügel 6a, 6b hier strömungstechnisch nicht so günstig hintereinander angeordnet werden können. Außerdem ist die Flexibilität bezüglich der Anzahl der Flügel wesentlich geringer. Mit der gezeigten Nabe mit 9 Aufnahmen 15 für Flügelfüße ist nur die gezeigte Flügelzahl in dieser Art eines reversierbaren Aufbaus denkbar.
Die genannten Nachteile ergeben sich dadurch, dass eine vorhandene Nabe 7 mit gleichmäßiger 9-fach-Teilung verwendet wurde. Vorteilhaft kann auch ein neuer, speziell für den Reversierbetrieb geeigneter Nabenkörper für die Einzelflügel 6 geschaffen werden. Bei einem solchen Nabenkörper haben die Aufnahmen 15 abwechselnd geringere und größere Abstände in Umfangsrichtung zueinander. So kann die Position einander zugeordneter Flügel 6a und 6b besser aufeinander abgestimmt werden. Es ist auch denkbar, dass Aufnahmen 15 paarweise immer axialen Versatz zueinander haben. Bei einer Nabe, die insbesondere für reversierbare Laufräder verwendet wird, ist die Zahl der Aufnahmen 15 dementsprechend vorteilhaft eine gerade Zahl, da immer Paare von Flügeln 6a und 6b angeordnet werden.
In Fig. 6 ist in einer Draufsicht von der Zuström- oder Abströmseite aus gesehen das Laufrad gemäß Fig. 5 dargestellt. In dieser Darstellung scheint das Laufrad 7 symmetrisch bezüglich der Richtung der Rotation des Laufrades im Betrieb zu sein. Allerdings sind die Flügel 6b keine gespiegelten Flügel zu 6a, sondern es sind Flügel mit der gleichen geometrischen Gestalt, die paarweise jeweils um 180° bezüglich einer Querachse rotiert zueinander auf die Nabe 7 aufgebracht sind. Werden die Flügel 6a, 6b werkzeuggebunden beispielsweise durch einen Gießprozess hergestellt, sind dementsprechend keine neuen Werkzeuge mit gespiegelten Konturen nötig, da die Flügel 6a und 6b dieselbe geometrische Gestalt haben und lediglich immer paarweise um 180° bezüglich einer Querachse zueinander rotiert auf der Nabe 7 befestigt sind.
In dieser Darstellung sind die Flügelhinterkanten 12 benachbarter Flügel 6a und 6b einander zugerichtet bzw. ist der Abstand benachbarter Flügelhinterkanten 12 zweier Flügel 6a und 6b im Mittel deutlich geringer als der Abstand benachbarter Flügelvorderkanten 11 zweier Flügel 6a und 6b. Dies ist aerodynamisch vorteilhaft.
In Fig. 7 ist in einer Draufsicht von der Seite gesehen das Laufrad gemäß den Fig. 5 und 6 dargestellt. Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 4 können auch hier die Flügel 6b in einem abweichenden Staffelwinkel bzgl. der Flügel 6a aufgebaut sein, oder es können sogar andere Flügelgeometrien verwendet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn für die beiden Luftförderrichtungen unterschiedliche Anforderungen gelten. Zwar ist das so entstehende Laufrad nicht mehr genau 180° Rotationssymmetrische bezüglich einer Querachse, per Definition ist aber auch dieser Fall noch als annähernd 180° rotationssymmetrisch bezüglich einer Querachse anzusehen. Jedenfalls ist ein solches Laufrad auch für den Reversierbetrieb geeignet, wobei für beide Förderrichtungen hohe Wirkungsgrade möglich sind.
Fig. 8 zeigt in perspektivischer Ansicht einen erfindungsgemäßen Ventilator 1 für den Betrieb in beide Förderrichtungen mit zumindest annähernder 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Achse quer zur Ventilatorachse. Er ist im Wesentlichen aufgebaut aus zwei Laufrädern 2a und 2b (hier nicht sichtbar), zwei Gehäusen 18a und 18b mit integrierten Motortrageinrichtungen 24a und 24b, welche jeweils für sich gesehen asymmetrisch sind, d.h. keine annähernde 180° Rotationssymmetrie bezüglich einer Achse quer zur Ventilatorachse aufweisen, sowie zwei Elektromotoren. Der gesamte Ventilator 1 ist aus 2 asymmetrischen Teilventilatoren aufgebaut, die jeweils insbesondere aus Laufrad 2a bzw. 2b, Gehäuse 18a bzw. 18b und Motortrageinrichtung 24a bzw. 24b aufgebaut sind, wobei hier die Motortrageinrichtungen 24a, 24b gleichzeitig als Nachleitflügel ausgeführt sind. Jeder der Teilventilatoren ist für sich gesehen nicht für einen Reversierbetrieb geeignet, zumindest nicht mit hohen Wirkungsgraden bei beiden Förderrichtungen, allerdings geeignet für Betrieb bei hohen Wirkungsgraden bei einer Vorzugsförderrichtung (mit korrespondierender Vorzugsdrehrichtung des Laufrads).
Dadurch, dass zwei solche asymmetrische Teilventilatoren in der gezeigten Weise paarweise um 180° zueinander um eine Querachse rotiert angeordnet sind, entsteht ein Gesamtventilator, der im Wesentlichen eine 180° Rotationssymmetrie zu einer Querachse aufweist und dadurch für Reversierbetrieb geeignet ist. Dies gelingt im Wesentlichen mit Komponenten, die sonst für Ventilatoren verwendet werden, die für eine einzige Förderrichtung optimiert sind.
Die beiden Teilventilatoren werden im Ausführungsbeispiel einfach an ihrem ursprünglichen druckseitigen Flansch 23 miteinander verbunden, der dadurch zum Verbindungsbereich 23 zwischen den Teilgehäusen 18a und 18b wird. Aus den Teilgehäusen 18a, 18b entsteht das Gesamtgehäuse 17.
Im Ausführungsbeispiel hat jeder der Teilventilatoren einen eigenen Elektromotor 4, bestehend im Wesentlichen aus Stator 20 und Rotor 19 (siehe auch Fig. 9). Eine vorteilhafte Art des Betriebs ist es, je nach Förderrichtung nur das Laufrad 2a bzw. 2b aktiv zu betreiben und das jeweils stromab liegende Laufrad frei mitrotieren zu lassen. Dadurch kann das stromab liegende Laufrad als Volumenstrommesseinrichtung genutzt werden, dessen Drehzahl, die gemessen werden kann, einen Rückschluss auf den aktuellen Volumenstrom zulässt. Mit dieser Information kann der antreibende Ventilator vorteilhaft geregelt werden, um einen definierten Soll-Volumenstrom zu erreichen.
Es kann sein, dass das frei drehende Laufrad schneller dreht als das antreibende Laufrad, je nach Betriebspunkt. In diesem Fall ist gegebenenfalls eine regeltechnische Begrenzung der frei drehenden Drehzahl über die Drehzahl des motorisch angetriebenen Laufrads von Vorteil.
Eine weitere Betriebsart ist es, beide Laufräder mit gleicher Drehzahl zu betreiben. Dadurch kann das stromab liegende Laufrad dem Fluid Leistung zuführen oder sie von ihm abführen, was auch betriebspunktabhängig ist. Die einfachste Methode, Drehzahlsynchronität zu erhalten, ist es, beide Laufräder mechanisch rotationsfest miteinander zu verbinden, bspw. über eine Welle. In diesem Fall ist auch ein einziger Motor für den Gesamtventilator 1 ausreichend, was vorteilhaft für die Kosten ist.
Gleiche Drehzahl kann aber auch regeltechnisch bei Nutzung zweier Motoren realisiert werden. Für den Fall, dass das stromab liegende Laufrad der Strömung Leistung entzieht, kann diese Leistung auf der elektrischen Seite sinnvoll genutzt werden. Sie kann ins Netz zurückgespeist werden oder auf der Ebene eines Gleichstrom-Zwischenkreises dem antreibenden Motor zur Verfügung gestellt werden, der dann weniger Leistung aus dem Stromnetz zieht.
Eine dritte Betriebsart ist es, die Drehzahlen stets so aufeinander abzustimmen, dass ein optimaler Gesamtwirkungsgrad entsteht. In diesem Fall ist das Drehzahlverhältnis der beiden Laufräder abhängig vom Betriebspunkt, der demzufolge in einem solchen Betrieb stets messtechnisch erfasst oder abgeschätzt wird.
In Fig. 9 ist, von der Seite und im Schnitt an einer Ebene durch die Ventilatorachse gesehen, der Ventilator 1 gemäß Fig. 8 dargestellt. Man kann erkennen, dass zwei jeweils für sich gesehen weitgehend funktionsfähige Teilventilatoren zu einem reversierbaren Gesamtventilator 1 verbaut sind. Die Teilventilatoren sind um 180° bezüglich einer Querachse rotiert zueinander angeordnet und am Verbindungsbereich 23 miteinander verbunden, beispielsweise mit Schrauben. Jeder Teilventilator besteht insbesondere aus einem Laufrad 2a bzw. 2b mit Nabe 7 und Flügeln 6, Gehäuse 18a bzw. 18b sowie Motortrageinrichtung 24a bzw. 24b, wobei deren Streben 25 im Ausführungsbeispiel als strömungstechnisch optimierte Nachleitflügel ausgeführt sind.
Des Weiteren ist je ein Motor vorgesehen, von dem jeweils der Rotor 19 mit dem Laufrad 2a bzw. 2b verbunden ist. Der Stator 20 ist mit der Motortrageinrichtung 24a bzw. 24b verbunden. Bezüglich der Teilventilatoren ist der Stator 20 der Motoren demzufolge eher abströmseitig angeordnet, ebenso wie der im Stator 20 jeweils integrierte Elektronikraum 26 mit den Abschlussdeckeln 27. Beim Gesamtventilator 1 sind die Elektronikräume 26 einander zugerichtet, wodurch ermöglich wird, dass bei einer vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungsform durch einen geeigneten Verbindungsdeckel ein gemeinsamer Elektronikraum geschaffen werden kann, was die notwendige Kommunikation und ggf. den Transfer von elektrischer Leistung zwischen den beiden Motoren erleichtern kann.
Die Hinterkanten 12 der Flügel 6 der Laufräder 2a und 2b sind einander zugewendet. Dasselbe gilt für die Hinterkanten der Nachleitflügel 25 der Nachleiträder 24a und 24b.
Die in die Teilgehäuse 18a bzw. 18b integrierten Einströmdüsen 5 sowie die Vorderkanten 11 der Flügel 6 der Laufräder 2a und 2b sind einander abgewendet.
Das Gesamtgehäuse 17 kann an den Vorrichtungen 16 zur Befestigung der Teilgehäuse 18a, 18b an einem übergeordneten lufttechnischen Gerät, einem Luftkanal, oder ähnlichem befestigt werden. Vorteilhaft kann der Gesamtventilator im Verbindungsbereich 23 an einem übergeordneten System befestigt werden.
Die Strom- und Steuerungskabel 21 können für beide Teilventilatoren separat ausgeführt sein und mit einem übergeordneten Steuergerät geregelt werden. Vorteilhaft geschieht die einheitliche Regelung ventilatornah, entweder in den vorhandenen Elektronikräumen 26 oder mittels einer separaten Controllereinheit, die am Gesamtventilator integriert ist.
In Fig. 10 ist ein Vergleich von Messergebnissen betreffend die Ausführungsform nach den Fig. 8 und 9 dargestellt. Über dem Volumenstrom V sind die statische Druckerhöhung Δp_stat (durchgezogene Linien) und der statische Wirkungsgrad η_stat (gestrichelte Linien) dargestellt. Zum einen für einen Referenzventilator, der für eine Förderrichtung vorgesehen ist (einen der Teilventilatoren aus Fig. 9 oder 10, Linien ohne Symbole), zum anderen für den erfindungsgemäßen, reversierbaren Gesamtventilator (Linien mit Rautensymbolen), wobei der stromab liegende Ventilator bei dem zugrundeliegenden Experiment frei drehend gelagert war. Man erkennt, dass beim reversierbaren Ventilator Luftleistung und Wirkungsgrad nur geringfügig niedriger sind, d.h. insbesondere, dass Luftleistung und Wirkungsgrad beim reversierbaren System hoch sind. Bei anderen Betriebsmodi, wie beispielsweise synchronisierter Drehzahl der beiden Teillaufräder oder wirkungsgradoptimierten Drehzahlverhältnissen, können noch höhere Wirkungsgrade und/oder Luftleistungen des reversierbaren Gesamtventilators erreicht werden, wobei der Wirkungsgrad des Gesamtventilators auch höher sein kann als der Wirkungsgrad eines der nicht-reversierbaren Teilventilatoren.

Bezugszeichenliste

1: Ventilator
2: Ventilatorlaufrad, Ventilatorgesamtlaufrad
2a, 2b: Ventilatorlaufrad
3a, 3b: Ventilatorteillaufrad
4: Motor
5: Einströmdüse
6, 6a, 6b: Flügel eines Laufrades
7: Nabe eines Laufrades
8: Fuß eines Flügels 6
9: Nabenhälfte einer Nabe 7
10: Schraube
11: Vorderkante eines Flügels 6
12: Hinterkante eines Flügels 6
13: Verbindungselement zweier Naben
14: Verbindungselement Nabe-Motorwelle
15: Aufnahme für Flügelfuß in Nabe 7
16: Vorrichtung zur Befestigung des Gehäuses 17
17: Gehäuse, Gesamtgehäuse des Ventilators
18a, 18b: Teilgehäuse des Ventilators
19: Rotor eines Motors
20: Stator eines Motors
21: Kabel
22: Lager
23: Verbindungsbereich zwischen Teilgehäusen
24, 24a, 24b: Motortrageinrichtung, Nachleitrad
25: Tragstrebe, Nachleitflügel
26: Elektronikraum
27: Elektronikdeckel

Claims

Ventilator mit mindestens einem elektrischen Motor und aerodynamisch wirksamen Bauteilen oder Elementen, die mindestens ein mit Flügeln bestücktes Laufrad umfassen, wobei zur Umkehrbarkeit der Förderrichtung ein Teil der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente aufgrund seiner Anordnung oder Ausrichtung hauptsächlich einer Förderrichtung und ein anderer Teil der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente aufgrund seiner Anordnung oder Ausrichtung hauptsächlich der anderen entgegengesetzten Förderrichtung zuordenbar ist.
Ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umkehr der Förderrichtung die Rotationsrichtung des Laufrads bzw. der Laufräder umkehrbar ist, wobei ein Teil der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente aufgrund seiner Anordnung oder Ausrichtung hauptsächlich der einen Drehrichtung und ein anderer Teil der aerodynamisch wirksamen Bauteile oder Elemente aufgrund seiner Anordnung oder Ausrichtung hauptsächlich der anderen entgegengesetzten Drehrichtung zuordenbar ist.
Ventilator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Änderung der Drehrichtung des Laufrads bzw. der Laufräder die Drehrichtung des Motors bzw. der Motoren änderbar ist und/oder für jeweils eine Förderrichtung verantwortliche Motoren ein- und ausschaltbar sind.
Ventilator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laufrad mit auf die jeweilige Drehrichtung optimierten bzw. angeordneten Flügeln ausgestattet ist, wobei das Laufrad bzw. die Laufräder in Bezug auf den Flügelwinkel und/oder auf das Flügel- bzw. Laufraddesign hinsichtlich der jeweiligen Anforderungen an die jeweilige zuordenbare Förderrichtung optimiert sein kann/können.
Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel paarweise jeweils für die eine und die andere Förderrichtung angeordnet sind, insbesondere paarweise jeweils zueinander um 180° bzgl. einer Querachse, vorzugsweise zu einer Querachse orthogonal zur Ventilator- oder Motorachse, verdreht zueinander angeordnet sind.
Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung der den beiden Förderrichtungen zuordenbaren Flügeln identisch oder, dem Bedarf entsprechend, unterschiedlich eingestellt oder einstellbar sind.
Ventilator nacheinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei mit Flügeln bestückte identische, zumindest ähnliche oder unterschiedliche Laufräder vorgesehen sind, die in Förderrichtung hintereinander angeordnet und drehfest miteinander verbunden sind, wobei die Laufräder bzgl. einer Querachse bzw. Radialachse um 180° verdreht sind, wobei die Laufräder identisch oder, je nach Bedarf, unterschiedlich in Bezug auf den Flügelwinkel und/oder das Laufraddesign ausgeführt sein können.
Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilventilatoreinheiten in Förderrichtung hintereinander angeordnet sind, die jeweils mindestens ein Laufrad und ggf. ein Gehäuse oder Gehäuseteil sowie jeweils einen Motor oder einen gemeinsamen Motor umfassen, wobei die Teilventilatoreinheiten hinsichtlich ihrer Anordnung bzw. Ausrichtung jeweils einer Förderrichtung zuordenbar sind.
Ventilator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise das Laufrad der in Förderrichtung jeweils nachgeschalteten Teilventilatoreinheit antriebsfrei mit dreht.
Ventilator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils in Förderrichtung nachgeschaltete Laufrad zur Volumenstrommessung genutzt wird.
Ventilator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils in Förderrichtung nachgeschaltete Laufrad zumindest für einen Betriebsbereich generatorisch betrieben wird.
Ventilator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die generatorisch gewonnene Energie/Leistung auf den jeweils anderen Motor elektrisch, beispielsweise über einen Zwischenkreis, oder mechanisch, beispielsweise über eine mechanische Kopplung oder eine Wellenverbindung, transferiert wird.
Ventilator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die generatorisch gewonnene Energie/Leistung zumindest teilweise in das Stromnetz eingespeist wird.
Ventilator nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des jeweils in Förderrichtung nachgeschalteten Laufrads überwacht und zur Regelung der jeweils in Förderrichtung vorangeschalteten Teilventilatoreinheit genutzt wird, wobei die Regelung gegebenenfalls zu hohe Schwingungen vermeiden und gegebenenfalls die Lagerlebensdauer sowie Standzeit oder Dauerfestigkeit begünstigen soll.
Ventilator nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Teilventilatoreinheiten eine oder mehrere Trageinrichtungen umfasst, die beispielsweise als Nachleiteinrichtung ausgeführt sein kann/können.