Axialventilator mit reversierbarer Strömungsrichtung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Axialventilator mit reversierbarer Strömungsrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Moderne Axialventilatoren sind regelbare und leistungsoptimierte Arbeitsmaschinen, die mechanische Energie in Strömungsenergie umwandeln. Die Regelbarkeit bezieht sich auf die Einstellbarkeit der Drehzahl des Laufrades und die Möglichkeit der Veränderung des Anstellwinkels der Laufschaufel mit dem Ziel der Anpassung der Steilheit des Auftriebes an die aktuelle Drehzahl und Förderleistung.

[0003] Ventilatorwirkungsgrade um 90% stellen sicher, dass die Betriebskosten auf ein Minimum zurückgehen. Doch nicht nur die Wirkungsgrade im Auslegungspunkt sind maßgebend, sondern auch der Wirkungsgrad des Ventilators im Teillastgebiet ist häufig von ausschlaggebender Bedeutung. Die günstigste Art der Regelung des Ventilators wird durch ein Verändern der Drehzahl des Laufrades erreicht.

[0004] Die Regelung der Drehzahl ist jedoch nur sinnvoll, wenn alle Betriebspunkte in der Nähe der energetisch optimalen Anlagenkennlinie liegen. Ändert sich anlagenbedingt (z. B. durch Vordruck des Systems, Parallelbetrieb mit anderen Ventilatoren oder Ähnliches) die Lage der Betriebspunke von der energetisch optimalen Anlagenkennlinie, ist es sinnvoll, neben der Drehzahländerung auch den Anstellwinkel der Laufschaufeln zu ändern, um zu hohen Teillastwirkungsgraden zu gelangen. Zu diesem Zweck sind die Laufschaufeln des Laufrades um eine Drehachse verstellbar ausgeführt. Das Laufrad kann auch mit einem Nachlaufrad kombiniert werden, das die kinetische Energie bestehender Drallkomponenten in statischen Druck umwandelt. Durch ein entsprechend an das Laufrad angepasstes Nachleitrad wird die aerodynamische Effektivität wesentlich gesteigert. Weiterhin besteht bei einem Ventilator auch die Möglichkeit, ein Vorleitrad zu installieren. Ein Vorleitrad bewirkt eine Veränderung der nutzbaren Druckerhöhung des Ventilators. Entsprechend dem erzeugten Drall (Gegendrall oder Mitdrall) vor dem Laufrad wird die Ventilatorkennlinie angehoben oder abgesenkt.

[0005] Sind die gattungsgemäßen Axialventilatoren z. B. zur Tunnelbelüftung eingesetzt, so kann eine der Aufgaben des Ventilators darin bestehen, zumindest zeitweise eine Richtungsumkehr des Luftstromes zu bewirken. Dies trifft für den Brandfall zu, wenn die Brandgase entgegen der betriebsmäßigen Förderrichtung zu dem näher gelegenen Tunnelausgang gefördert werden sollen. Um eine Richtungsumkehr des Luftstromes zu erreichen, ist es bekannt, die drehbaren Laufschaufeln des Laufrades so weit zu drehen, dass die gewünschte Strömungsumkehr eintritt. Damit ist aber verbunden, dass die erreichbare Effektivität in dieser Betriebsform drastisch sinkt, weil ein eventuell vorhandenes Nachleitrad nach erfolgter Strömungsumkehr als nun falsch angeordnetes "Vorleitrad" die Zuströmungsbedingungen zu dem Laufrad empfindlich stören würde. Sowohl die aerodynamische Leistung als auch der Energieverbrauch in Bezug auf die geförderte Luftmenge zeigen deutlich schlechtere Werte als im Normalbetrieb. Um diese Qualitätseinbuße zu umgehen, ist schon versucht worden, den gesamten Ventilator mechanisch um eine Achse senkrecht zur Drehachse des Laufrades um 180° zu drehen, wenn eine Umkehr der Förderrichtung erforderlich ist. Dies geht aber bei sinnvollem Aufwand nur mit relativ kleinen Axialventilatoren.

[0006] Eine Schubumkehr, wie von Flugzeugtriebwerken bekannt, scheidet als Lösung deshalb aus, weil bei Axialventilatoren kein energetisch sinnvoller Betrieb möglich ist. Zusätzlich wirkt sich aus, dass dabei nur kurzzeitig ein Gegenstrombetrieb aufgenommen wird, die Richtungsumkehr bei Axialventilatoren aber für längere Zeit und unter energetisch günstigen Gesichtspunkten erfolgen soll.

[0007] Ein gattungsgemäßer Axialventilator mit reservierbarer Strömungsrichtung ist aus der GB 704 440 A bekannt. Dieser Axialventilator besitzt ein Laufrad mit feststehenden, ebenen Laufschaufeln. Die Umkehrung der Strömungsrichtung innerhalb des Axialventilators erfolgt ausschließlich dadurch, dass die Laufrichtung des Laufrades umgekehrt wird. Über den das Laufrad antreibenden Motor ist in der GB 704 440 A nichts ausgesagt.

[0008] Aus der DE 884 930 C ist eine axiale Strömungsmaschine bekannt, die je nach der Drehrichtung des Laufrades wahlweise als Pumpe oder als Turbine arbeitet. Die Strömungsmaschine weist ein Vorleit- und ein Nachleitsystem auf, dessen jeweilige Funktion sich bei einer Strömungsumkehr innerhalb der Strömungsmaschine ändert. Die Strömungsumkehr wird allein über eine Anstellung der Laufschaufeln erreicht, die symmetrisch zur Mittellinie des Schaufelprofils ausgebildet sind.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Axialventilator mit reversierbarer Strömungsrichtung so zu gestalten, dass bei vorgegebenem Volumenstrom gleiche aerodynamische Leistungen, wie hohe Druckziffer und hoher Wirkungsgrad, bei einem Betrieb in beiden Richtungen ermöglicht werden.

[0010] Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Axialventilator erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0011] Die zu ihrer Drehachse spiegelsymmetrisch ausgebildeten Laufschaufeln lassen sich um einen solchen Drehwinkel verstellen, dass optimale Betriebszustände und/oder eine Strömungsumkehr erreichbar sind. Darüber hinaus wird es durch die Verwendung eines Vorleitrades und eines Nachleitrades sowie durch die Gestaltung und die Verstellmöglichkeit der Leitschaufeln dieser Leiträder möglich, bei einer Strömungsumkehr die Funktionsweise des Vorleitrades und des Nachleitrades gegeneinander zu vertauschen. Die Leitschaufeln sind dabei ebenso wie Laufschaufeln des Laufrades so anstellbar, dass sie je nach den aktuellen Erfordernissen in die optimale Stellung gebracht werden können. Nach der Umkehr des Luftstromes durch eine Verstellung der Drehrichtung des Laufrades und/oder der Laufschaufeln ist ein Betrieb des Axialventilators in beiden Strömungsrichtungen in der Weise möglich, dass der Energieverbrauch für gleiche Luftbewegungen in beiden Strömungsrichtungen gleich ist und nahe dem für Axialventilatoren für nur eine Richtung ohne Umkehrmöglichkeit liegt.

[0012] Für den vorgesehenen Einsatzfall des erfindungsgemäßen Axialventilators kommt es darauf an, ein verstellbares Nachleitrad zu verwenden. Aus diesem Grund wird bei diesem Axialventilator dem Laufrad ein verstellbares Vorleitrad vorgeschaltet, das bei einer Strömungsumkehr die Funktion des Nachleitrades übernehmen kann, ohne dass die Fähigkeit des Vorlaufrades, die Druckerhöhung zu verändern, notwendig wäre.

[0013] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt durch eine Ventilatoranordnung und

Fig. 2 die Draufsicht auf ein Laufrad und zwei Leiträder.

[0014] Die Ventilatoranordnung besteht aus einem Ventilatorgehäuse 1, das auf der einen Seite über einen Ansaugstutzen 2 mit einem Ansaugkasten 3 und auf der anderen Seite über einen Ausblasestutzen 4 mit einem Ausblasekasten 5 verbunden ist. Innerhalb des Ventilatorgehäuses 1 ist in einem Abstand von der Gehäusewand und unter Bildung eines Strömungskanales 6 ein Axialventilator abgestützt.

[0015] Der Axialventilator enthält eine Nabe 7 mit einem stromlinienförmigen Anströmteil 8, einem zylindrischen Mittelteil 9 und einem stromlinienförmigen Abströmteil 10. Innerhalb des zylindrischen Mittelteiles 9 der Nabe 7 ist ein Laufrad 11 angeordnet. Das Laufrad 11 besteht aus einer Laufradnabe 12, die mit dem zylindrischen Mittelteil 9 der Nabe 7 fluchtet.

[0016] Das Laufrad 11 ist auf seinem Umfang mit Laufschaufeln 13 bestückt. Die Laufschaufeln 13 sind um eine Drehachse verdrehbar, die radial zu dem Laufrad 11 verläuft. Die Verstellung der Laufschaufeln 13 erfolgt während des Betriebes oder im Stillstand über einen mechanischen, elektrischen oder hydraulischen Stellantrieb.

[0017] Wie aus der Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Laufschaufeln 13 in Bezug auf die Drehachse spiegelsymmetrisch ausgebildet. Über den Stellantrieb lassen sich die Laufschaufeln 13 so weit verdrehen, dass entsprechend dem Kennlinienfeld für alle Durchsatzmengen und Betriebszustände optimale Wirkungsgrade erreicht werden.

[0018] Aufgrund der spiegelsymmetrischen Gestaltung können die Laufschaufeln 13 auch so verdreht werden, dass eine Strömungsumkehr eintritt. In diesem Fall wird der Ansaugstutzen 2 zum Ausblasestutzen und der Ausblasestutzen 4 zum Ansaugstutzen. Eine solche Strömungsumkehr ist beispielsweise bei dem Einsatz des Axialventilators in der Belüftung eines Tunnels erwünscht, wenn in einem Brandfall die Brandgase zu einem bestimmten Luftschacht oder zu dem näher gelegenen Luftschacht oder Tunnelausgang gefördert werden sollen.

[0019] Der Antrieb des Laufrades 11 erfolgt über einen Antriebsmotor 14, der als Einbaumotor innerhalb der Nabe 7 angeordnet ist. Der Antriebsmotor 14 ist als Asynchronmotor ausgebildet und mit einer Drehzahlregelung versehen. Die Drehzahlregelung dient ebenfalls zur Einstellung optimaler Wirkungsgrade bei unterschiedlichen Betriebszuständen. Durch eine einfache Umschaltung lässt sich die Drehrichtung des Asynchronmotors umkehren. Mit dem Asynchronmotor ändert sich auch die Drehrichtung des Laufrades 11, so dass mit der Verstellung der Laufschaufeln 13 auch auf diese Weise eine Umkehrung der Strömungsrichtung erreicht wird.

[0020] Innerhalb des Ventilatorgehäuses 1 ist dem Laufrad 11 ein feststehendes Vorleitrad 15 vorgeschaltet und ein feststehendes Nachleitrad 16 nachgeschaltet. Beide Leiträder 15, 16 sind mit Leitschaufeln 17, 18 versehen, die vorzugsweise gekrümmt sind. Die Krümmung kann dadurch zustande kommen, dass die Leitschaufeln 17, 18 aus geraden Teilstücken bestehen, die unter einem stumpfen Winkel aneinander stoßen. Die Leitschaufeln 17 des Vorleitrades 15 sind spiegelsymmetrisch zu den Leitschaufeln 18 des Nachleitrades 16 ausgebildet, wobei die radiale Mittelebene des Laufrades 11 die Symmetrieebene bildet.

[0021] Die Leitschaufeln 17, 18 des Vorleitrades 15 und des Nachleitrades 16 sind um eine Drehachse 19 verdrehbar gelagert. Sie sind aufgrund dieser Lagerung unter einem Winkel zur Strömungsrichtung anstellbar. Die Anstellung der Leitschaufeln 17, 18 erfolgt mechanisch oder elektrisch gegen die Federkraft einer Rückholfeder 20 über einen Stellhebel 21, der an der Drehachse 19 angreift. Der Stellhebel 21 ist an dem Ventilatorgehäuse 1 abgestützt. Die Anstellung der Leitschaufeln 17, 18 dient ebenso wie die Verdrehung der Laufschaufeln 13 dazu, optimale Wirkungsgrade einzustellen.

[0022] In einer besonderen Ausführungsform bestehen die Leitschaufeln 17, 18 aus einem feststehenden Abschnitt 22 und aus einem verstellbaren Abschnitt 23. Die Trennebene der beiden Abschnitte 22, 23 der Leitschaufeln 17, 18 liegt in der Ebene der Leitschaufeln 17, 18 entlang der Drehachse 19. Die verstellbaren Abschnitte 23 der Leitschaufeln 17, 18 sind jeweils dem Laufrad 11 zugewandt.

[0023] Bei der in Fig. 2 gezeigten Stellung der Laufschaufeln 13 erzeugt der Axialventilator mit einer Drehrichtung gemäß Pfeil 25 einem Luftstrom in der durch den Pfeil 24 angegebenen Strömungsrichtung. Dabei nehmen die Leitschaufeln 17, 18 von Vorleitrad 15 und Nachleitrad 16 eine Stellung ein, die durch den ausgezogenen Linienzug wiedergegeben ist. Wird die Strömungsrichtung durch eine Umschaltung des Asynchronmotors und durch eine entsprechende Verdrehung der Laufschaufeln 13 umgekehrt, so werden die Leitschaufeln verstellt und nehmen eine Stellung ein, die in der Fig. 2 durch den gestrichelten Linienzug angedeutet ist. In diesem Fall übernimmt das Vorleitrad 15 die Funktion eines Nachleitrades und das Nachleitrad 16 die Funktion eines Vorleitrades. In beiden Strömungsrichtungen ist durch eine entsprechende Anstellung der Leitschaufeln 17, 18 ein optimaler Betrieb des Axialventilators möglich.

Ansprüche

1. Axialventilator mit reversierbarer Strömungsrichtung bestehend aus einem durch einen Antriebsmotor (14) mit umkehrbarer Drehrichtung angetriebenen Laufrad (11), wobei dem Laufrad (11) ein Vorleitrad (15) vorgeschaltet und ein Nachleitrad (16) nachgeschaltet ist, die mit Leitschaufeln (17, 18) versehen sind, wobei die Leitschaufeln (17, 18) des Vorleitrades (15) und des Nachleitrades (16) spiegelsymmetrisch zu der radialen Mittelebene des Laufrades (11) ausgebildet sind und wobei die Leitschaufeln (17, 18) in einem Winkel zu der Strömungsrichtung anstellbar angeordnet sind und bei einer Strömungsumkehr das Vorleitrad (15) die Funktion des Nachleitrades und das Nachleitrad (16) die Funktion des Vorleitrades übernimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (11) mit um eine Drehachse verstellbaren und zu der Drehachse spiegelsymmetrischen Laufschaufeln (13) ausgerüstet ist und dass der Antriebsmotor (14) als ein drehzahlgeregelter Asynchronmotor ausgebildet ist.

2. Axialventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (17, 18) des Vorleitrades (15) und des Nachleitrades (16) gekrümmt sind.

3. Axialventilator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (17, 18) des Vorleitrades (15) und des Nachleitrades (16) jeweils aus einen feststehenden Abschnitt (22) und aus einem um eine Drehachse (19) verstellbaren Abschnitt (23) bestehen, dass der verstellbare Abschnitt (23) der Leitschaufeln (17, 18) dem Laufrad (11) zugewandt ist und dass die Drehachse (19) in der Leitschaufelebene entlang der Trennungslinie zwischen dem feststehenden und dem verstellbaren Abschnitt (22, 23 der Leitschaufeln (17, 18) verläuft.

4. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (17, 18) des Vorleitrades (15) und des Nachleitrades (16) um einen solchen Winkel anstellbar sind, dass für beide Strömungsrichtungen optimale Betriebszustände erreichbar sind.

5. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (13) des Laufrades (11) um einen solchen Drehwinkel verstellbar sind, dass optimale Betriebszustände und/oder eine Strömungsumkehr erreichbar sind.

6. Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (14) des Laufrades (11) ein Asynchronmotor mit umkehrbarer Drehrichtung ist.

Claims

1. Axial-flow blower with reversible flow sense comprising an impeller (11) driven by a driving motor (14) with reversible sense of rotation, wherein the impeller (11) is advanced by a pre-guide wheel (15) and followed by a post-guide wheel (16) which are provided with guide blades (17, 18), wherein the guide blades (17, 18) of pre-guide wheel (15) and post-guide wheel (16) are designed mirror-symmetrically to the radial centre plane of impeller (11) and wherein the guide blades (17, 18) are arranged for setting in an angle to the flow sense and in case of a flow reversal pre-guide wheel (15) assumes the function of the post-guide wheel and post-guide wheel (16) the function of the pre-guide wheel, characterized in that the impeller (11) is equipped with guide blades (13) adjustable around a rotary axis and mirror-symmetrical to the rotary axis, and in that the driving motor (14) is designed as a speed-controlled asynchronous motor.

2. Axial-flow blower according to claim 1, characterized in that guide blades (17, 18) of pre-guide wheel (15) and post-guide wheel (16) are bent.

3. Axial-flow blower according to claim 1 or 2, characterized in that guide blades (17, 18) of pre-guide wheel (15) and post-guide wheel (16) in each case are comprised of a stationary portion (22) and a portion (23) which is adjustable around a rotary axis (19), in that the adjustable portion (23) of guide blades (17, 18) is facing impeller (11) and in that rotary axis (19) is running in the guide blade plane along the separation line between the stationary and the adjustable portion (22, 23) of guide blades (17, 18).

4. Axial-flow blower according to one of claims 1 to 3, characterized in that guide blades (17, 18) of pre-guide wheel (15) and post-guide wheel (16) are adjustable through such an angle that optimum operating conditions are achievable for both flow senses.

5. Axial-flow blower according to one of claims 1 to 4, characterized in that rotating blades (13) of impeller (11) are adjustable through such an angle of rotation that optimum operating conditions and/or a flow reversal are achievable.

6. Axial-flow blower according to one of claims 1 to 5, characterized in that driving motor (14) of impeller (11) is an asynchronous motor with reversible sense of rotation.

Revendications

1. Ventilateur axial avec direction d'écoulement réversible comprenant un rotor (11) entraîné par un moteur d'entraînement (14) avec sens de rotation réversible, une roue de pré-rotation (15) étant montée en amont du rotor (11) et une roue de post-rotation (16) étant montée en aval du rotor (11), lesquelles roues sont équipées d'ailettes directrices (17, 18), les ailettes directrices (17, 18) de la roue de pré-rotation (15) et de la roue de post-rotation (16) étant conçues de façon symétrique par rapport au plan médian radial du rotor (11) et les ailettes directrices (17, 18) étant disposées dans un angle de façon réglable par rapport à la direction d'écoulement et la roue de pré-rotation (15) assumant la fonction de la roue de post-rotation et la roue de post-rotation (16) assumant la fonction de la roue de pré-rotation en cas d'inversion de l'écoulement, caractérisé en ce que le rotor (11) est équipé d'ailettes directrices (13) déplaçables autour d'un axe de rotation et symétriques par rapport à l'axe de rotation et en ce que le moteur d'entraînement (14) est conçu comme un moteur asynchrone réglé par le régime.

2. Ventilateur axial selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes directrices (17, 18) de la roue de pré-rotation (15) et de la roue de post-rotation (16) sont incurvées.

3. Ventilateur axial selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les ailettes directrices (17, 18) de la roue de pré-rotation (15) et de la roue de post-rotation (16) comprennent chacune une partie (22) fixe et une partie (23) pouvant être déplacée autour d'un axe de rotation (19), en ce que la partie (23) déplaçable des ailettes directrices (17, 18) est tournée vers le rotor (11) et en ce que l'axe de rotation (19) est agencé dans le plan de l'ailette directrice le long de la ligne de séparation entre la partie fixe et la partie déplaçable (22, 23) des ailettes directrices (17, 18).

4. Ventilateur axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ailettes directrices (17, 18) de la roue de pré-rotation (15) et de la roue de post-rotation (16) peuvent être déplacées d'un angle tel que des états de service optimum peuvent être obtenus pour les deux directions d'écoulement.

5. Ventilateur axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les ailettes mobiles (13) du rotor (11) peuvent être déplacées d'un angle de rotation tel qu'on peut obtenir des états de service optimum et/ou une inversion de l'écoulement.

6. Ventilateur axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moteur d'entraînement (14) du rotor (11) est un moteur asynchrone avec un sens de rotation réversible.

Zeichnung