EP4242469A1

EP4242469A1 - Schutzvorrichtung zur anordnung stromab eines um eine rotationsachse rotierbaren laufrades

Info

Publication number: EP4242469A1
Application number: EP23157454.2A
Authority: EP
Inventors: Marc Schneider; Andreas LUCIUS
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2023-09-13
Anticipated expiration: 2043-02-20
Also published as: EP4242469C0; EP4242469B1; DE102022105365A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung (1) zur Anordnung stromab eines um eine Rotationsachse (R) rotierbaren Laufrades (2) mit einem Laufraddurchmesser (X), welches ausgebildet ist, in einem vorbestimmten Betriebspunkt eine Luftströmung (L) zu erzeugen, welche die Schutzvorrichtung (1) in eine mit der Rotationsachse (R) einen Strömungswinkel α einschließende Strömungsrichtung durchströmt und eine orthogonal zu der Strömungsrichtung variierende Strömungsgeschwindigkeit (u) aufweist, wobei die Schutzvorrichtung (1) eine Vielzahl von um die Rotationsachse (R) angeordneten Gitterringen aufweist, welche jeweils durch einen die Rotationsachse (R) in Umfangsrichtung umlaufenden Draht (10, 11, 12) mit einem Drahtdurchmesser D gebildet sind und wobei die Drähte (10, 11, 12) der Gitterringe im Längsschnitt auf einer gemeinsamen Kurve (20) und zwei unmittelbar benachbarte Drähte im Längsschnitt auf einer gemeinsamen gedachten Geraden (30) angeordnet sind, welche mit der Luftströmung (L) einen Winkel β einschließt und entlang welcher die zwei Drähte zueinander mit einem Abstand d beabstandet sind, wobei ein Verhältnis d/D des Abstands d zu dem Drahtdurchmessers D zweier unmittelbar benachbarter Drähte der Drähte (11, 12) in einem entlang der gemeinsamen Kurve (20) vorbestimmten Bereich (32) um den Punkt (P) maximaler Durchströmungsgeschwindigkeit kleiner als 3 oder größer als 4 ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Anordnung stromab eines um eine Rotationsachse rotierbaren Laufrades. Solche Schutzvorrichtungen können auch als Berührschutz oder Schutzgitter bezeichnet werden und bilden meist einen Bestandteil eines Ventilators, welcher mittels dem Laufrad eine Luftströmung erzeugt.
Schutzgitter sind notwendig, um eine Berührung des sich drehenden Laufrades zu verhindern. Dabei bestehen solche Schutzgitter aus eng stehenden und meist aus Draht gebildeten Gitterringen, wobei die Ringe konzentrisch um die Rotationsachse des Laufrads angeordnet sind und oftmals von einer Tragstruktur gehalten werden.
Druckseitig montierte Schutzgitter, welche stromab der von dem Ventilator bzw. dem Laufrad erzeugten Strömung angeordnet sind, stehen im Abströmfeld des Ventilators, sodass die Ringe des Schutzgitters umströmt werden.
Bei der Umströmung der Ringe kommt es zu periodischen Ablösungen von Wirbeln an den Ringen bzw. den Drähten, welche auch als Kärmänsche Wirbelstraße (nach Theodore von Kármán) bekannt sind.
Die Frequenz dieser Ablösung hängt von der Anströmgeschwindigkeit u und vom Durchmesser D des Drahtes ab. Das Phänomen lässt sich über die dimensionslose Strouhal-Zahl St beschreiben, die im Wesentlichen konstant und im Bereich von 0,2 ist. $St = \frac{fD}{u} \approx 0,2 \to f \approx \frac{0,2 u}{D}$
Dieser Mechanismus ist lange bekannt. Auch kennt der Stand der Technik grundsätzlich bereits Möglichkeiten zur Vermeidung ungünstiger Frequenzen bzw. der Ablösungen.
Beispielsweise werden umströmte Körper, hier also die Drähte, zur Reduktion der Wirbelstraße quer zur Anströmrichtung strukturiert, verdrillt oder mit einem sich spiralenartig um den Körper erstreckenden Vorsprung ausgebildet. Solche Maßnahmen werden beispielsweise bei Fahrzeugantennen oder Industrieschornsteinen eingesetzt.
Es hat sich herausgestellt, dass diese Ablösungen von Wirbeln bei Ventilatoren insbesondere bei hohen Volumenströmen und weiter insbesondere bei einem Arbeitspunkt bzw. Betriebspunkt bestimmend für das Gesamtgeräusch des Ventilators sind, in welchem ein maximal möglicher Volumenstrom ohne Druckerhöhung durch den Ventilator strömt. In diesem Betriebspunkt maximaler Volumenströmung ist der Ventilator freiblasend. Da in diesem Betriebspunkt sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen und damit einhergehende Geräusche entstehen, kann durch die Reduktion der Wirbel für den freiblasenden Betrieb des Ventilators die größte akustische Verbesserung erreicht werden. Allerdings kann durch Reduktion der Wirbel auch in anderen Betriebspunkten eine akustische Verbesserung erreicht werden.
Daher können unterschiedliche Schutzgitter abhängig von ihrer konkreten Ausführung am selben Ventilator und im selben Arbeitspunkt zu einem sich deutlich unterscheidenden Gesamtgeräusch führen.
Versuche haben ergeben, dass akustisch besser geeignete Schutzgitter beispielsweise bis zu 4 dB leiser sein können, als akustisch weniger geeignete Schutzgitter.
In dem freiblasenden Arbeitspunkt des Ventilators, ist die Abströmung des Ventilators bzw. des Laufrades im Wesentlichen axial, mit einem Maximum der Strömungsgeschwindigkeit im radialäußeren Bereich. Nah an einem das Laufrad in Umfangsrichtung umgebenden Gehäusering nimmt die Geschwindigkeit wieder ab. Für den freiblasenden Arbeitspunkt weist die von dem Laufrad erzeugte Luftströmung also nahezu keine radiale Geschwindigkeitskomponente auf. Für Arbeitspunkte im Druck ändert sich die Richtung, da eine radial nach außen gerichtete Geschwindigkeitskomponente hinzukommt.
Ferner hat sich gezeigt, dass Schutzgitter und insbesondere stapelbare Schutzgitter, deren Gitterringe im radialäußeren Bereich einen größer werdenden Durchmesser aufweisen, im freiblasenden Betriebspunkt einen hohen akustischen Aufschlag bzw. ein schlechtes akustisches Verhalten in Vergleich zu anderen Schutzgittern aufweisen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und eine Schutzvorrichtung zur Anordnung stromab eines eine Luftströmung erzeugenden Laufrades bereitzustellen, welches ein günstiges akustisches Verhalten aufweist und mithin im Betrieb und insbesondere in einem vorbestimmten Betriebspunkt möglichst leise ist. Zugleich soll die Schutzvorrichtung einen möglichst geringen Druckverlust aufweisen und weiterhin die Funktion des Berührschutzes erfüllen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird daher eine Schutzvorrichtung zur Anordnung stromab eines um eine Rotationsachse rotierbaren Laufrades vorgeschlagen, welche insbesondere stapelbar ausgeführt ist. Das Laufrad weist einen Laufraddurchmesser auf und ist ausgebildet, in einem vorbestimmten Betriebspunkt eine Luftströmung zu erzeugen, welche die Schutzvorrichtung in eine mit der Rotationsachse einen Strömungswinkel α einschließende Strömungsrichtung durchströmt. Diese Luftströmung weist eine orthogonal zu der Strömungsrichtung variierende Strömungsgeschwindigkeit auf, sodass die Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung bezogen auf die Rotationsachse beispielsweise in einem freiblasenden Arbeitspunkt des Ventilators, in welchem die Strömungsrichtung im Wesentlichen parallel der Rotationsachse ist, von radialinnen nach radialaußen bis auf ein Maximum ansteigt und danach wieder abfällt. Insbesondere für den freiblasenden Betrieb ist der Strömungswinkel in der Regel 0°, sodass die Luftströmung parallel zur Rotationsachse verlaufen kann. Dieses Maximum verläuft also unabhängig vom Betriebspunkt insbesondere ringförmig und konzentrisch zu der Rotationsachse um die Rotationsachse, wobei die Schutzvorrichtung in einem Längsschnitt durch die Schutzvorrichtung gesehen entsprechend orthogonal der Strömungsrichtung an einem vorbestimmten Punkt mit einer maximalen Durchströmungsgeschwindigkeit durchströmt wird. Dieses Maximum bzw. der Punkt maximaler Durchströmung kann für einen vorbestimmten Arbeitspunkt, wie dem freiblasenden Betrieb des Ventilators, bestimmt sein. Alternativ kann als Maximum bzw. als Punkt maximaler Durchströmung auch das absolute Maximum für alle oder mehrere mögliche Arbeitspunkte des Ventilators bestimmt sein. Die Schutzvorrichtung, welche auch als Berührschutz oder Schutzgitter bezeichnet werden kann, weist eine Vielzahl von um die Rotationsachse angeordneten Gitterringen auf, welche insbesondere konzentrisch zu der Rotationsachse angeordnet sind und jeweils durch einen die Rotationsachse in Umfangsrichtung umlaufenden Draht mit einem Drahtdurchmesser D gebildet werden. Die Drähte gehen jeweils vorzugsweise in sich selbst über und sind somit "endlos", weiter weisen die Drähte vorzugsweise jeweils einen runden Querschnitt auf, können aber auch einen davon abweichenden und beispielsweise ovalen Querschnitt besitzen. Der Drahtdurchmesser D bezieht sich dabei jeweils auf den Querschnitt eines Drahtes. Weiter können die Drähte jeweils in Radialrichtung mit einem Abstand zu der Rotationsachse beabstandet beschrieben werden. Die Drähte der Gitterringe bzw. deren Querschnitte liegen im Längsschnitt durch die Schutzvorrichtung auf einer gemeinsamen Kurve. Zwei unmittelbar benachbarte Drähte zweier Gitterringe der Vielzahl von Gitterringen bzw. deren Querschnitte liegen im Längsschnitt gemeinsam auf einer gedachten, insbesondere durch das Zentrum der Drähte verlaufenden Geraden, welche mit der Luftströmung einen Winkel β einschließt. Verläuft die Luftströmung parallel der Rotationsachse, schließt die gedachte Gerade den Winkel β mit der Rotationsachse ein. Im freiblasenden Punkt ist also der geometrische Winkel zwischen der gedachten Geraden und der Rotationsachse näherungsweise gleich dem Winkel β. Weiter sind die zwei unmittelbar benachbarten Drähte entlang der gemeinsamen Geraden zueinander mit einem Abstand d beabstandet, welcher vorzugsweise von dem jeweiligen Mittelpunkt der Drahtquerschnitte bestimmt wird.
Versuche haben gezeigt, dass nicht alle Gitterringe bzw. Drähte der Gitterringe das Geräuschverhalten gleich stark beeinflussen und dass das Geräuschverhalten insbesondere durch ein Verhältnis d/D des Abstands d zu dem Drahtdurchmesser D zweier unmittelbar benachbarter Drähte beeinflusst wird.
Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Verhältnis d/D des Abstands d zu dem Drahtdurchmesser D zweier unmittelbar benachbarter Drähte der Drähte in einem entlang der gemeinsamen Kurve vorbestimmten Bereich um den Punkt maximaler Durchströmungsgeschwindigkeit d.h. um das Maximum der Durchströmungsgeschwindigkeit und insbesondere aller Drähte in diesem Bereich sowie vorzugsweise ausschließlich in diesem bevorzugten Bereich kleiner als 3, insbesondere kleiner als 2,6, oder größer als 4 ist.
Für den vorbestimmten Bereich gilt gemäß der Erfindung daher: $\frac{d}{D} < 3 oder \frac{d}{D} > 4$
Ein günstiges Verhältnis kann beispielsweise durch geringere Abstände zwischen den Ringen bzw. Drähten bzw. deren Querschnitten, d.h. mehr Ringe in dem vorbestimmten Bereich, und/oder durch einen größeren Durchmesser der Drähte erreicht werden.
Bei diesem entlang der gemeinsamen Kurve vorbestimmten Bereich handelt es sich um einen Bereich ungünstiger Strömungsbedingungen, in welchem es zu für das akustische Verhalten besonders ungünstigen Ablösungen und mithin zu einer hohen Geräuschentwicklung kommt.
Ein solcher Bereich ungünstiger Strömungsbedingungen ergibt sich insbesondere dadurch, dass der Bereich in einem bestimmten Arbeitspunkt mit einer hohen bzw. maximalen Durchströmungsgeschwindigkeit durchströmt wird. Entsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass das Schutzgitter in dem entlang der gemeinsamen Kurve vorbestimmten Bereich und insbesondere für einen vorbestimmten Arbeitspunkt und vorzugsweise für den freiblasenden Arbeitspunkt mit einer maximalen Durchströmungsgeschwindigkeit durchströmt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass sich der entlang der gemeinsamen Kurve vorbestimmte Bereich ±10%, insbesondere ±5% des Laufraddurchmessers um den Punkt maximaler Durchströmungsgeschwindigkeit erstreckt, welcher weiter vorzugsweise mittig in dem Bereich liegt.
Nicht im Längsschnitt, sondern aus einer Aufsicht auf die Schutzvorrichtung betrachtet verläuft der Bereich also ringförmig um die Rotationsachse und konzentrisch zu dieser.
Bei einem rein beispielhaften Laufraddurchmesser von 10 cm wäre der Bereich also 2 cm (±10%), insbesondere 1 cm (±5%) breit, wobei der Punkt maximaler Durchströmung jeweils mittig in diesem Bereich läge.
Wie bereits erläutert, variiert die Strömungsgeschwindigkeit orthogonal zu der Strömungsrichtung bzw. in Radialrichtung, wobei sie im freiblasenden Arbeitspunkt zumeist von der Rotationsachse nach radialaußen auf ein Maximum ansteigt und danach wieder abfällt. Dieses Maximum bzw. die Positionierung des Maximums der Strömungsgeschwindigkeit ist abhängig von dem konkret betrachteten Ventilator bzw. dem darin eingesetzten Laufrad. Daher kann ein konkreter Bereich nur in Abhängigkeit eines konkreten Ventilators angegeben werden. Bei einigen Ventilatoren tritt die maximale Strömungsgeschwindigkeit jedoch bei ca. 90% des Laufraddurchmessers bzw. bei ca. 90% des Laufradradius auf. Um für einen solchen Ventilator insbesondere für den freiblasenden Arbeitspunkt ein günstiges akustisches Verhalten zu ermöglichen, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der in Radialrichtung vorbestimmte Bereich 80% bis 100% und insbesondere 85% bis 95% des Laufraddurchmessers ist bzw. dass der vorbestimmte Bereich in Axialrichtung an diesen Bereich des Laufrades angrenzt.
Abhängig vom Laufrad bzw. Ventilator und dem betrachteten Arbeitspunkt kann der Punkt maximaler Durchströmung jedoch auch radial außerhalb des Laufrades liegen.
Versuche haben zudem gezeigt, dass insbesondere stapelbare Schutzgitter, welche beispielsweise eine kegelstumpfartige Form aufweisen, um ein Ineinanderstapeln mehrerer Schutzgitter zu ermöglichen, ein besonders ungünstiges Geräuschverhalten aufweisen.
Die schlechten akustischen Eigenschaften sind dadurch erklärbar, dass die Drähte, im Längsschnitt der Schutzvorrichtung betrachtet, im radialäußeren Bereich in Strömungsrichtung bzw. in Axialrichtung nahezu hintereinander angeordnet sind, sodass diese insbesondere im freiblasenden Arbeitspunkt als umströmte Tandemzylinder wirken.
Aus der Literatur ist bekannt, dass sich zwei eng stehende Zylinder, d.h. Tandemzylinder, abhängig vom Winkel und Abstand gegenseitig beeinflussen. Messungen an solchen Zylindern haben gezeigt, dass es insbesondere im Bereich von ca. 20° und weiter insbesondere bei einem Verhältnis d/D des Abstands d und des Drahtdurchmessers D größer oder gleich 3 zu stark überhöhten Kraftfluktuationen kommt.
Der Winkel, in welchem die Zylinder zueinanderstehen, ist dabei der Winkel, in welchem ein stromabwärtiger Zylinder bzw. Draht hinter einem stromaufwärtigen Zylinder bzw. Draht gegenüber der Strömungsrichtung bzw. der Luftströmung angeordnet ist. Die Strömungsrichtung bzw. die Luftströmung kann insbesondere im freiblasenden Arbeitspunkt parallel zu der Rotationsachse sein. Abhängig vom Ventilator und betrachteten Betriebspunkt kann die Strömungsrichtung bzw. die Luftströmung jedoch auch einen radialen Anteil aufweisen, sodass die Luftströmung schräg zu der Rotationsachse steht und mit dieser einen Winkel α einschließt.
Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung sieht daher vor, dass der Winkel β zumindest in dem vorbestimmten Bereich größer 20°, insbesondere größer 30° und vorzugsweise kleiner oder gleich 90° ist.
Da der Winkel, unter welchen die Drähte bzw. Zylinder zueinander angeordnet sind, auch von einer radialen Geschwindigkeitskomponente und mithin vom Arbeitspunkt des Ventilators abhängig ist, hat jedoch das Verhältnis d/D im Unterschied zu einem konkreten Winkel bei einer Vielzahl von Arbeitspunkten einen Einfluss auf das Geräuschverhalten.
Vor dem Hintergrund der Eignung als Berührschutz und der Stabilität der Drähte ist in dem vorbestimmten Bereich insbesondere ein Verhältnis d/D < 3 vorteilhaft.
Wie angeführt, ist das Verhältnis d/D des Drahtdurchmessers D zu dem Abstand d zweier unmittelbar benachbarter Drähte für das Geräuschverhalten besonders relevant. Jedoch muss, bezogen auf die gesamte Schutzvorrichtung, darauf geachtet werden, dass der Druckverlust an der Schutzvorrichtung nicht zu hoch ist und die Eignung eines Berührschutzes nicht verloren geht. Da aber ein geringer Abstand d und ein großer Durchmesser D die Versperrung durch das Schutzgitter und damit den Druckverlust erhöhen, sollten die Drahtdurchmesser D nicht jedes Gitterrings bzw. nicht jedes Bereichs der Schutzvorrichtung "zu groß" und auch die Abstände zwischen den Drähten nicht "zu weit" oder "zu eng" sein.
Entsprechend ist das Verhältnis d/D des Abstands d zu dem Drahtdurchmesser D zweier unmittelbar benachbarter Drähte der und insbesondere aller Drähte in einem entlang der gemeinsamen Kurve zu dem vorbestimmten (ersten) Bereich benachbarten zweiten Bereich bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausführung von dem Verhältnis in dem vorbestimmten Bereich abweichend und insbesondere größer als 2,6, insbesondere größer 3 sowie kleiner als 4. Beispielsweise kann das Verhältnis in einem solchen zweiten Bereich 3,3 sein.
Von dem vorbestimmten Bereich aus gesehen, kann sowohl radialaußen als auch radialinnen jeweils ein solcher, zweiter Bereich benachbart sein, wobei die Verhältnisse d/D in den beiden zweiten Bereichen auch abweichen können.
Durch solche zweiten Bereiche mit einem zu dem im vorbestimmten Bereich abweichenden Verhältnis d/D kann also sowohl der Materialeinsatz als auch der Einfluss auf die aerodynamischen Kennwerte reduziert bzw. minimiert werden.
Auch die vorgeschlagene Schutzvorrichtung kann stapelbar ausgebildet sein. Hierfür geht die gemeinsame Kurve von radialaußen nach radialinnen von einem steilen ersten Bereich in einen flachen zweiten Bereich über, sodass die Schutzvorrichtung insbesondere topf- bzw. kegelstumpfartig mit einem sich nach radialaußen erweiternden Durchmesser ausgebildet ist und mehrere Schutzvorrichtungen ineinander stapelbar sind.
Weiter kann die gemeinsame Kurve von dem zweiten Bereich nach radialinnen in einen dritten Bereich übergehen und beispielsweise scharf abknicken, welcher entgegen dem ersten Bereich geneigt ist. Die Kurve ist dann also in Strömungsrichtung konvex ausgebildet.
Zusätzlich zu dem vorgeschlagenen vorteilhaften Verhältnis d/D können auch weitere das Geräuschverhalten verbessernde Maßnahmen vorgesehen sein.
Beispielsweise kann eine Oberflächenrauheit der Drähte in dem vorbestimmten Bereich gegenüber den Drähten außerhalb des vorbestimmten Bereichs erhöht sein.
Diese erhöhte Oberflächenrauheit kann beispielsweise durch einen die Drähte umhüllenden Lack vorgesehen werden. Durch die Verwendung von beispielsweise Strukturlack wird eine Grenzschicht bei der Umströmung des Zylinders bzw. Drahtes turbulent. Dadurch kann das Wirbelgebiet stromab dem Draht verkleinert werden und der Strömungswiderstand sinkt.
Entsprechend ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass die Drähte in dem vorbestimmten Bereich eine relative Oberflächenrauheit k/D in einem Bereich von 1% bis 10% aufweisen. Bei k handelt es sich dabei um die mittlere Tiefe der Rauigkeit und bei D um den Durchmesser des jeweiligen Drahtes.
Weiter kann eine bzw. die Oberfläche der Drähte in dem vorbestimmten Bereich strukturiert sein und insbesondere sich in Längsrichtung der Drähte erstreckende und sich weiter insbesondere um die Längsrichtung spiralenartig windende Vorsprünge aufweisen.
Alternativ bzw. zusätzlich zu den vorgenannten Maßnahmen kann ferner vorgesehen sein, dass die Schutzvorrichtung stromauf der Gitterringe ein in Strömungsrichtung zumindest an den vorbestimmten Bereich angrenzendes Vorgitter aufweist, welches insbesondere aus einem zweiten Draht bzw. einer Vielzahl von zweiten Drähten gebildet ist, dessen Durchmesser kleiner ist, als der Durchmesser der Drähte der Gitterringe. Der zweite Draht bildet insbesondere Maschen, sodass stromauf der Gitterringe turbulente Wirbel in der Luftströmung erzeugbar sind.
Durch ein stromaufwärtiges Vorgitter aus einer Vielzahl von zweiten Drähten bzw. durch stromaufwärtige Maschen aus einem zweiten Draht, kann die Strömung insbesondere angrenzend an den vorbestimmten Bereich mit einer zusätzlichen Modifikation der Ringe durch zumindest das vorgeschlagene Verhältnis d/D vorkonditioniert werden.
Die Maschen eines solchen Vorgitters sollten schräg zu den Ringen bzw. deren Drähten angeordnet sein. Hinter dem Vorgitter und vor den Gitterringen werden kleine turbulenten Wirbel erzeugt, welche die Grenzschichtströmung an den Gitterringen ähnlich wie eine erhöhte Oberflächenrauheit beeinflussen.
Bei kleinem Durchmesser des Maschendrahtes ist der zusätzliche Druckverlust klein und kein nennenswertes Zusatzgeräusch zu erwarten.
Weiter kann ein Lüfter bzw. Ventilator stromabwärtig seines Laufrades eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung aufweisen.
Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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 Längsschnitt durch eine herkömmliche Schutzvorrichtung;
Fig. 2: ein Längsschnitt durch eine erste Variante einer Schutzvorrichtung;
Fig. 3: ein Längsschnitt durch eine zweite Variante einer Schutzvorrichtung;
Fig. 4: eine vergrößerte Darstellung des vorbestimmten Bereichs der Schutzvorrichtung gemäß Figur 3
Fig. 5: ein Längsschnitt durch eine dritte Variante einer Schutzvorrichtung.

Die Figuren sind beispielhaft schematisch und zeigen jeweils die Schnittflächen bzw. einen Querschnitt der Drähte einer in Längsrichtung geschnittenen Schutzvorrichtung d.h. im Längsschnitt der Schutzvorrichtung. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin. Figur 4 entspricht dabei einer vergrößerten Darstellung des vorbestimmten Bereichs 32 gemäß Figur 3, wobei die dargestellten Bezugszeichen ebenso auf eine Ausführungsform gemäß Figur 2 oder 5 übertragbar sind.
In Figur 1 ist eine Schutzvorrichtung 3 gemäß einer bekannten Konfiguration abgebildet. Die Schutzvorrichtung 3 ist stromauf eines Laufrades 2 abgebildet, welches durch Rotation die Luftströmung L erzeugt. Die Luftströmung L durchströmt die Schutzvorrichtung parallel zu der Rotationsachse R mit einer in Radialrichtung r variierenden Strömungsgeschwindigkeit u, welche wie beispielhaft für einen freiblasenden Arbeitspunkt gezeigt von radialinnen d.h. von der Rotationsachse R nach radialaußen bis auf ein Maximum im Punkt P maximaler Durchströmung im Bereich 32 ansteigt und nach weiter radialaußen bzw. bis zu einem nicht dargestellten Gehäuse des Laufrades 2, welches dieses in Umfangsrichtung umgibt, wieder abfällt. In einem abweichenden Betriebspunkt kann die Luftströmung L auch schräg gegenüber der Rotationsachse R verlaufen und mit dieser einen gemeinsamen Strömungswinkel einschließen, wie es beispielsweise in Figur 5 dargestellt ist.
Das in Figur 1 dargestellte Laufrad weist eine Vielzahl und hier 31 Gitterringe auf, welche jeweils durch einen die Rotationsache R in Umfangsrichtung vollständig umlaufenden "endlosen" Draht 10 gebildet werden, dessen Querschnitt jeweils dargestellt ist.
Dabei liegen die Drähte 10 bzw. deren Querschnitte im Längsschnitt der Schutzvorrichtung auf einer gemeinsamen Kurve 20 welche von radialaußen nach radialinnen von einem steilen ersten Bereich 21, d.h. einem Bereich mit positiver Steigung, zu einem flachen zweiten Bereich 22, d.h. einem Bereich mit geringerer Steigung, zu einem entgegen dem ersten Bereich 21 geneigten dritten Bereich 23, d.h. einem Bereich mit negativer Steigung, aufweist.
Insbesondere durch den ersten Bereich 21 und den zweiten Bereich 22 ist die Schutzvorrichtung 3 kegelstumpfartig mit einem sich nach radialaußen erweiternden Durchmesser ausgebildet, sodass eine Mehrzahl gleichartig ausgebildeter Schutzvorrichtungen 3 ineinander stapelbar ist.
Für den hier dargestellten Arbeitspunkt, bei welchen es sich um den freiblasenden Arbeitspunkt des Ventilators bzw. des Laufrades 2 handeln kann, liegt das für eine Geräuschentwicklung hauptverantwortliche Maximum der Strömungsgeschwindigkeit u bei ca. 90% des Laufraddurchmessers X. Daher wird vorgeschlagen, vor allem für diesen Arbeitspunkt in dem vorbestimmten Bereich 32 ± 5% um den Punkt P maximaler Durchströmung Maßnahmen zur Geräuschreduzierung zu ergreifen. Da der Punkt P maximaler Strömungsgeschwindigkeit vorliegend bei ca. 90% des Laufraddurchmessers X liegt, erstreckt sich der Bereich 32 hier von ca. 85% bis 95% des Laufraddurchmessers. Dabei kann der genaue Bereich maximaler Luftströmung abhängig vom verwendeten Laufrad 2 unterschiedlich sein und auch außerhalb des Laufraddurchmessers liegen, sodass die Darstellung rein beispielhaft ist.
Vorliegend kommt durch die Stapelbarkeit hinzu, dass zwei unmittelbar benachbarte Drähte 10 in diesem vorbestimmten Bereich 32 strömungstechnisch ungünstig angeordnet sind. Werden in dem vorbestimmten Bereich 32 zwei unmittelbar benachbarte Drähte 10 betrachtet, ist der entlang der Luftströmung L Stromabwärtige der beiden Drähte 10 innerhalb eines Winkels β von kleiner 30° relativ zu dem Stromaufwärtigen der beiden Drähte 10 angeordnet. Siehe hierzu auch Figur 4.
Dadurch wirken die zwei unmittelbar benachbarten Drähte 10 als Tandemzylinder, sodass zusätzlich zu dem schlechten akustischen Verhalten durch das Maximum der Strömungsgeschwindigkeit u im vorbestimmten Bereich 32 weitere geräuscherzeugende Ablösungen und Turbulenzen wirken.
Daraus folgt, dass Maßnahmen zur Geräuschreduzierung insbesondere für den freiblasenden Arbeitspunkt des Ventilators bzw. Laufrades 2 in diesem vorbestimmten Bereich 32 besonders wirksam und sinnvoll sind.
Eine solche akustisch günstige d.h. geräuscharme Schutzvorrichtung kann durch die in Figur 2 und Figur 3 abgebildeten Varianten erreicht werden.
Es hat sich herausgestellt, dass ein Verhältnis d/D des Drahtdurchmessers D zu dem Abstand d zweier unmittelbar benachbarter Drähte einen großen Einfluss auf das Geräuschverhalten der Schutzvorrichtung hat.
Für die Variante gemäß Figur 1 ergibt sich für alle Drähte 10 ein für das Geräuschverhalten ungünstiges Verhältnis d/D von ca. 3,3.
Es ist jedoch vorteilhaft, wenn das Verhältnis d/D kleiner als drei oder größer als vier ist, was erreicht werden kann, wenn in dem vorbestimmten Bereich 32 - wie in Figur 2 dargestellt - der Abstand d zwischen den Drähten reduziert wird oder - wie in Figur 3 dargestellt - die Drähte in diesem Bereich 32 dicker bzw. mit größerem Durchmesser D ausgebildet werden.
Würde die Anzahl der Drähte oder deren Durchmesser nicht nur in dem vorbestimmten Bereich 32, sondern über alle Bereiche 31, 32, 33 des Schutzgitters 1 erhöht, würden sich andere Eigenschaften des Schutzgitters 1, wie zum Beispiel der Druckverlust, deutlich verschlechtern, sodass die vorgeschlagene Modifikation bei den Schutzgittern 1 gemäß den Figuren 2 und 3 nur in dem vorbestimmten Bereich 32 und nicht in den zu diesem benachbarten Bereichen 31, 33 durchgeführt werden. In diesen wird das Verhältnis d/D in einem Bereich zwischen 3 und 4 belassen bzw. keine Modifikationen gegenüber der Variante gemäß Figur 1 durchgeführt.
Bei der Variante gemäß Figur 2 wird die akustische Optimierung bzw. die Geräuschreduzierung des Schutzgitters 1 dadurch erreicht, dass in dem vorbestimmten Bereich 32 im Vergleich zu der Ausführung gemäß Figur 1 mehr Drähte 11 vorgesehen werden. Dadurch, dass ein Draht 11 in diesem Bereich 32 hinzugefügt wird, verkleinern sich die Abstände d zwischen den Drähten 11.
Das Schutzgitter 1 in Figur 3 sieht dahingegen vor, dass die Anzahl der Drähte 12 in dem vorbestimmten Bereich 32 gegenüber der Variante gemäß Figur 1 unverändert bleibt, aber die Durchmesser D der Drähte 12 in diesem Bereich 32 im Vergleich zu der ursprünglichen Ausführung gemäß Figur 1 vergrößert sind.
Sowohl in Figur 2 als auch Figur 3 wird durch die sich unterscheidenden Maßnahmen, welche auch kombiniert werden können, beispielhaft ein Verhältnis d/D von 2,5 erreicht.
In Figur 4 ist der vorbestimmte Bereich 32 gemäß Figur 3 vergrößert dargestellt, wobei die Darstellung analog auf die Variante gemäß Figur 2 übertragbar ist.
Die Gitterringe bzw. deren Drähte 10, 12 der insgesamt n Drähte weisen jeweils einen Abstand a₁, a₂ ... a_n zu der Rotationsachse R auf. Jeder der Drähte 10, 12 hat jeweils einen Durchmesser D, wobei die Durchmesser D der Drähte 12 indem vorbestimmten Bereich 32 größer sind als die Durchmesser D der Drähte 10 in den dazu angrenzenden Bereichen 30, 31. Die Abstände d zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Drähten 12 der Drähte 12 in dem vorbestimmten Bereich 32 und die Abstände d zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Drähten 10 der Drähte 10 in den dazu benachbarten Bereichen 31, 33 ist vorliegend im Wesentlichen gleich. Das Verhältnis d/D im vorbestimmten Bereich ist vorliegend ca. 2,6 und in den dazu benachbarten Bereichen ca. 3,3.
In Figur 5 ist eine Schutzvorrichtung 1 mit einem gegenüber den Schutzvorrichtungen der Figuren 1 bis 4 abweichenden gemeinsamen Kurve 20 dargestellt, bei welcher die Bereiche 21, 22, 23 der Kurve abweichende Steigungen aufweisen. Zugleich strömt die Luft schräg zu der Rotationsachse R durch die Schutzvorrichtung, sodass die Luftströmung L einen Winkel α mit der Rotationsachse R einschließt. Wie beschrieben variiert die Strömungsgeschwindigkeit u orthogonal zu der Strömungsrichtung bzw. zu der Luftströmung L und durchströmt die Schutzvorrichtung 1 ebenfalls an einem Punkt P mit einer maximalen Strömungsgeschwindigkeit. Orthogonal zu der Strömungsrichtung steigt die Strömungsgeschwindigkeit also von radialinnen nach radialaußen auf das Maximum und fällt noch weiter nach radialaußen wieder ab. Der Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit ist zwar vorliegend orthogonal zur Strömungsrichtung definiert, kann aber grundsätzlich auch auf ein Koordinatensystem umgerechnet werden, bei welchem die X-Achse parallel der Radialrichtung ist, wie es in Figur 1 und insbesondere für den freiblasenden Betriebspunkt ohnehin der Fall ist. Vorliegend liegt dieser Punkt P maximaler Strömungsgeschwindigkeit in Radialrichtung außerhalb eines Laufrades, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Unabhängig davon und auch unabhängig davon, dass die gemeinsame Kurve 20 in dem radialäu-ßersten dritten Bereich 23 parallel der Rotationsachse R verläuft, sind alle Drähte in dem um den Punkt P maximaler Strömungsgeschwindigkeit mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verhältnis d/D ausgebildet, wie es zu den Figuren 3 und 4 beschrieben wurde.
Auch für eine solche nicht ineinanderstapelbare Schutzvorrichtung 1 gemäß Figur 5, ergibt sich dadurch für den vorbestimmten Betriebspunkt mit der beschriebenen Luftströmung L eine deutliche Geräuschreduzierung und mithin eine akustische Verbesserung.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Schutzvorrichtung (1) zur Anordnung stromab eines um eine Rotationsachse (R) rotierbaren Laufrades (2) mit einem Laufraddurchmesser (X), welches ausgebildet ist, in einem vorbestimmten Betriebspunkt eine Luftströmung (L) zu erzeugen, welche die Schutzvorrichtung (1) in eine mit der Rotationsachse (R) einen Strömungswinkel α einschließende Strömungsrichtung durchströmt und eine orthogonal zu der Strömungsrichtung variierende Strömungsgeschwindigkeit (u) aufweist, sodass die Schutzvorrichtung (1) in einem Längsschnitt durch die Schutzvorrichtung (1) gesehen orthogonal der Strömungsrichtung an einem vorbestimmten Punkt (P) mit einer maximalen Durchströmungsgeschwindigkeit durchströmt wird,
wobei die Schutzvorrichtung (1) eine Vielzahl von um die Rotationsachse (R) angeordneten Gitterringen aufweist, welche jeweils durch einen die Rotationsachse (R) in Umfangsrichtung umlaufenden Draht (10, 11, 12) mit einem Drahtdurchmesser D gebildet sind,

und wobei die Drähte (10, 11, 12) der Gitterringe im Längsschnitt auf einer gemeinsamen Kurve (20) und zwei unmittelbar benachbarte Drähte im Längsschnitt auf einer gemeinsamen gedachten Geraden (30) angeordnet sind, welche mit der Luftströmung (L) einen Winkel β einschließt und entlang welcher die zwei Drähte zueinander mit einem Abstand d beabstandet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Verhältnis d/D des Abstands d zu dem Drahtdurchmessers D zweier unmittelbar benachbarter Drähte der Drähte (11, 12) in einem entlang der gemeinsamen Kurve (20) vorbestimmten Bereich (32) um den Punkt (P) maximaler Durchströmungsgeschwindigkeit kleiner als 3 oder größer als 4 ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1,
wobei die Schutzvorrichtung (1) in dem entlang der gemeinsamen Kurve (20) vorbestimmten Bereich (32) und insbesondere mittig des vorbestimmten Bereichs (32) mit der maximalen Durchströmungsgeschwindigkeit (u) durchströmt wird.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der entlang der gemeinsamen Kurve (20) vorbestimmte Bereich (32) ±10%, insbesondere ±5% des Laufraddurchmessers (X) um den Punkt (P) maximaler Durchströmungsgeschwindigkeit erstreckt.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Winkel β zumindest in dem vorbestimmten Bereich (32) größer 20°, insbesondere größer 30° ist.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Verhältnis d/D des Abstands d zu dem Drahtdurchmesser D zweier unmittelbar benachbarter Drähte der Drähte (10) in einem entlang der gemeinsamen Kurve (20) benachbarten zweiten Bereich (31, 33) von dem Verhältnis d/D in dem vorbestimmten Bereich (32) abweicht und insbesondere größer als 2,6 und kleiner als 4 ist.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die gemeinsame Kurve (20) von radialaußen nach radialinnen von einem steilen ersten Bereich (21) in einen flachen zweiten Bereich (22) übergeht, sodass mehrere Schutzvorrichtungen (1) ineinander stapelbar sind.
Schutzvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei die gemeinsame Kurve (20) von dem zweiten Bereich (22) nach radialinnen in einen dritten Bereich (23) übergeht, welcher entgegen dem ersten Bereich (21) geneigt ist.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Drähte (11, 12) in dem entlang der gemeinsamen Kurve (20) vorbestimmten Bereich (32) eine relative Oberflächenrauheit k/D in einem Bereich von 1% bis 10% aufweisen.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei eine Oberfläche der Drähte (11, 12) in dem entlang der gemeinsamen Kurve (20) vorbestimmten Bereich (32) strukturiert ist und insbesondere sich in Längsrichtung der Drähte (11, 12) erstreckende und sich weiter insbesondere um die Längsrichtung spiralenartig windende Vorsprünge aufweist.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Schutzvorrichtung (1) stromauf der Gitterringe ein Vorgitter aufweist, welches in Strömungsrichtung zumindest an den entlang der gemeinsamen Kurve (20) vorbestimmten Bereich (32) angrenzt und insbesondere aus zumindest einem zweiten Draht gebildet ist, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Drähte (10, 11, 12) der Gitterringe ist, und welcher insbesondere Maschen bildet, sodass stromauf der Gitterringe turbulente Wirbel in der Luftströmung (L) erzeugbar sind.