[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Radialventilator gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1; ein derartiger Radialventilator mit ausschließlich rückwärts gekrümmten Schaufeln
ist aus dem Abschlußbericht des Forschungsvorhabens "Kennlinienstabilität bei Radialventilatoren"
des Instituts für Strömungslehre und Strömungsmaschinen der Universität Karlsruhe,
April 1975, bekannt.
[0002] In vielen Anwendungsfällen sind Radialventilatoren bei stark veränderlichen Betriebsbedingungen,
z.B. in der Klima- und Belüftungstechnik, im Einsatz. In jedem Arbeitspunkt muß ein
einwandfreier Betrieb gewährleistet sein; dazu ist es notwendig, daß in jedem Betriebspunkt
des Ventilators dem Volumenstrom V eine Druckerhöhung Δp eindeutig zugeordnet werden
kann, d.h. der Ventilator muß gemäß einer stetigen Kennlinie Δ p = f (V) arbeiten
können. Im einzelnen hat sich gezeigt, daß Radialventilatoren mit hoher Ausnutzung
des Bauvolumens, d.h. hoher Leistungsdichte Instabilitätspunkte in den Kennlinien
Δ p = f (V), P = f (V), η = f (V) derart aufweisen, daß bei abnehmender Drosselung
die den Ventilator charakterisierenden Größen wie z.B. Volumenstrom, Druck und Wirkungsgrad
schlagartig auf höhere Werte springen und bei wiederansteigender Drosselung erst mit
einer deutlichen Hysterese-Wirkung der Drosselungsänderung folgen.
[0003] Das vorbeschriebene Hysterese-Verhalten ist umso uner
- wünschter, als es sich in der Nähe des Auslegepunktes des Radialventilators abspielt.
Die Regelungsmöglichkeiten des Systems "Ventilator-Anlage" werden dadurch stark eingeschränkt.
Der Betrieb auf dem unteren Niveau der Kennlinie ist außerdem mit spezifisch starker
Geräuschentwicklung verbunden; außerdem nimmt gleichzeitig mit dem plötzlichen Druckabfall
der Wirkungsgrad stark ab, was den Betrieb auf dem unteren Kennlinienast der Hysterese
auch noch unwirtschaftlich nacht.
[0004] Im bekannten Fall wird nun als wirksamstes Mittel zur Beseitigung einer Unstetigkeit
in der Kennlinie von Radialventilatoren eine Verringerung der Schaufelzahl und damit
eine spezielle Konstruktion des Laufrades empfohlen (S.3 des genannten Abschlußberichtes);
die im bekannten Fall auf das Auftreten der instationären Ablösung: "Rotating Stall"
zurückgeführte Unstetigkeit der Kennlinie kann gemäß den genannten Abschlußbericht
(S.62 unten) durch Maßnahmen an der Gehäusekontur nicht verhindert werden.
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei Radialventilatoren mit hoher Ausnutzung
des Bauvolumens, d.h. hoher Leistungsdichte, mit einfacheren konstruktiven Maßnahmen
eine Stetigkeit der Kennlinie derart zu erreichen, daß auch bei unterschiedlichen
Drosselwerten der Radialventilator unabhängig vom jeweiligen Arbeitsbereich auf dem
höheren, durch die bekannte Hysterese-Kennlinie vorgegebenen Niveau arbeitet. Unter
Leistungsdichte ist im vorgenannten Sinne das Produkt aus dimensionsloser Volumenstromziffer
und dimensionsloser Druckziffer verstanden, wie es z.B. durch die Veröffentlichung:
"Neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der Radialventilatoren hoher Leistungsdichte"
in der Zeitschrift HLH 30, 1979, Nr.11, Seiten 443 bis 447 beschrieben ist.
[0006] Ausgehend von der Erkenntnis, daß die Instabilität der Kennlinien durch eine mehrfach
kreisende Strömung des Fördermediums im Spiral-Gehäuse aufgrund von Druckunterschieden
und insbesondere der Schleppwirkung des rotieren- .den Laufrades verursacht werden,
wird als Lösung dieser Aufgabe bei einem Radialventilator der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß eine Maßnahme gemäß Kennzeichen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen;
vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
[0007] Es hat sich gezeigt, daß durch die einfache Maßnahme der auch nachträglich ohne weitere
konstruktive Änderung des Radialventilators anzubringenden Sperrwände bei unterschiedlicher
Drosselung die gewünschte hohe Leistungsdichte gewährleistet werden kann. Zweckmäßigerweise
werden die Sperrwandteile mit einer entsprechend dem Strömungsverlauf gekrümmten Sperrfläche
in das Innere des Spiral-Gehäuses hineinragend ausgeführt. Eine-noch weitere Verbesserung
hinsichtlich eines niedrigen Geräuschverhaltens sowie besseren Wirkungsgrades kann
-.dadurch erreicht werden, daß die freien Anströmkanten der Sperrwand mit wulstartigen
Abrundungen versehen werden, die entweder einstückig an die Anströmkanten der Sperrwände
angeformt oder als getrennte Bauteile nachträglich auf die Anströmkanten der Sperrwände
aufgesteckt und an dieser gehaltert werden.
[0008] Die erfindungsgemäße Lösung wird vorzugsweise bei Laufrädern mit rückwärts gekrümmten
Schaufeln eingesetzt, zeigt die erstrebte Verbesserung jedoch auch bei Laufrädern
mit vorwärts oder radial endenden Schaufeln.
[0009] Die Erfindung wird im folgenden anhand verschiedener, schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele
in der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:
Fig.1,2 im Axialschnitt zwei verschiedene Ausführungen einer zwischen Innenwandung
des Spiral-Gehäuses und Laufrad angeordneter Sperrwand;
Fig.3 bis 6 jeweils im Merianschnitt vier verschiedene Ausführungen der Sperrwand
gemäß Schnittverlauf A-A in Fig.1;
Fig.7 bis 10 jeweils im Merianschnitt vier verschiedene Sperrwandausführungen mit
unterschiedlichen Wulstabdeckungen ihrer Anströmkanten;
Fig.11 bis 13 jeweils im Axialschnitt drei verschiedene Sperrwandansführungen;
Fig.14 die Kennlinienverläufe der Druckziffer, total: Ψt; der Druckziffer dynamisch: Ψd; des Wirkungsgrades, total, am Laufradeingang: ηt1 sowie der Leistungsdichte:(α, Ψt) in Abhängigkeit von der Volumenstromziffer: 9.
[0010] Fig.1 und 2 zeigen im Axialschnitt zwei verschiedene Ausführungen eines zwischen
der Innenwandung eines Spiral-Gehäuses 2 und dem darin drehbar gelagerten Laufrad
1 im Bereich der Zunge 22 angeordneten Sperrwand 3 bzw.4. Als Zunge bezeichnet man
üblicherweise die engste Stelle zwischen dem spiralförmig sich von dieser Stelle zur
Austrittsöffnung 21 erweiternden Spiral-Gehäuse 2 und dem Laufrad 1. Während in Fig.1
die Sperrwand 3 in konstruktiv besonders einfacher Weise lediglich aus einem ebenen
Blech besteht, weist die Sperrwand 4 gemäß Fig.2 eine entsprechend dem Strömungsverlauf
gekrümmte, in das Innere des Spiral-Gehäuses 2 ragende Sperrfläche auf.
[0011] Die Figuren 3 bis 6 zeigen jeweils im Merianschnitt vier verschiedene Ausführungsformen
der ebenen Sperrwand 3 gemäß Schnittverlauf A-A in Fig.1 jeweils mit dem Unterschied,
daß der Zwischenraum zwischen dem Laufrad und der Ausströmöffnung des Spiral-Gehäuses
vollkommen oder nur teilweise gegen einen Wiedereintritt der an sich zum Austritt
aus der Austrittsöffnung 21 bestimmten Luft in den Spiralkreislauf des Spiral-Gehäuses
2 verhindern soll.
[0012] .Im einzelnen zeigt Fig.4 eine Sperrwand 3, die sich aus einem ersten, den Zwischenraum
zwischen der Ausströn- öffnung und der Außenwandung des Spiral-Gehäuses im Bereich
der Zunge 22 verschließenden Sperrwandteil 31, einem zweiten, den Zwischenraum zwischen
dem gesamten Laufrad 1 und der Außenwandung des Spiral-Gehäuses 2 im Bereich der Zunge
22 abschließenden Sperrwandteil 32 und einem dritten, den Zwischenraum zwischen der
wellenseitigen Rückseite des Laufrades 1 und der rechten Stirnseite des Spiral-Gehäuses
1 abschließenden Sperrwandteil 33 zusammensetzt. Die einzelnen Sperrwandteile 31,32,33
können entweder als getrennte Bauteile oder als zusammenhängende Sperrwand 3 ausgebildet
und montiert sein. Fig.4 unterscheidet sich von der Ausführung gemäß Fig.3 dadurch,
daß ein geringfügig vergrößerter Zwischenraum zwischen dem Laufrad 1 und der Sperrwand,
insbesondere dem zweiten Sperrwandteil 32, vorgesehen ist; Fig.5 und Fig.6 zeigen
noch weiter vereinfachte Sperrwände, bei denen lediglich gemäß Fig.5 das erste Sperrwandteil
31 und das dritte Sperrwandteil 33 und gemäß Fig.6 allein das erste Sperrwandteil
31 vorgesehen sind.
[0013] Die größte Wirkung hinsichtlich der Vermeidung der Hysterese wird mit einer sehr
weitgehenden Absperrung erreicht; eine demgegenüber geringere Teilabsperrung stellt
einen optimaleren Kompromiß zwischen einen geringen Drehklanganteil im Geräuschspektrum
und einer weitgehenden Vermeidung der unerwünschten Kennlinien-Hysterese dar.
[0014] Fig.7 bis Fig.10 zeigen, unter Bezugnahme auf die Schnittverläufe C-C in Fig.3 bis
6 und bei Weglassung des Spiral-Gehäuses 2, verschiedene Ausführungen der Sperrwand
3 mit jeweils an ihren Anströmkanten zur Vermeidung von geräuschbildenden Luftverwirbelungen
vorgesehenen wulstartigen Abrundungen. Fig.7 und Fi.8 zeigen derartige Abrundungen
321,331 bzw. 322,332, die zusätzlich an den Sperrwänden 3 gemäß den Ausführungsbeispielen
nach Fig.3 und Fig.4 angebracht sind. Gemäß Fig.7 sind die wulstartigen Abrundungen
321 bzw. 331 an die Sperrwandausführung gemäß Fig.3 bzw. Fig.4 und bei der Ausführung
gemäß Fig.9 an eine Sperrwandausführung gemäß Fig.5 bzw. Fig.6 einstückig angeformt;
Fig.8 zeigt unter Bezugnahme auf die Sperrwandausführung gemäß Fig.3 und Fig.4 bzw.
Fig.10 zeigt unter Bezugnahme auf die Sperrwandausführung gemäß Fig.5 und Fig.6 jeweils
Wulstartige Abrundungen 322 bzw.332 in Form von getrennten, auf die Anströmkanten
der Sperrwand jeweils aufgesetzten und an diesen gehalterten Bauteilen.
[0015] Die Fig.12 bzw.13 bzw.14 zeigen jeweils in einem Axialschnitt gemäß dem Schnittverlauf
B-B in Fig.4 die Sperrblechteile 32 und 33 in ebener glattflächiger Ausführung ohne
wulstartige Abrundung (Fig.11), mit als getrenntes Bauteil aufgesetzter wulstartiger
Abrundung 322 bzw.332 (Fig.12) und mit einstückig angeformter wulstartiger Abrundung
321 bzw.331 (Fig.13).
[0016] Fig.15 zeigt die Kennlinienverläufe für die totale Druckziffer Ψ
t, die dynamische Druckziffer Ψ
d, den totalen Wirkungsgrad am Laufradeingang η
tL sowie die Leistungsdichte (α,Ψ
t) in Abhängigkeit von der Volumstromziffer f jeweils in gestrichelten Kennlinienverlauf
für einen herkömmlichen, nicht erfindungsgemäß ausgebildeten Radialventilator und
im ausgezogenen Kennlinienverlauf für den gleichen herkömmlichen, jedoch mit zusätzlich
einfach anzubringender Sperrwand ausgestatteten Radialventilator unter Zugrundelegung
der eingezeichneten Drosselparabel DP und entsprechenden Drosselungsänderungen in
Richtung einer geringeren Drosselung (-) bzw. einer stärkeren Drosselung (+). In den
Kennlinien der totalen Druckziffer Ψ
t, der dynamischen Druckziffer Ψ
d, des Wirkungsgrades η
tL der Leistungsdichte (α, Ψ
t) jeweils als Funktion der Volumenstromziffer f (ϕ) sind jeweils die Hysterese-Kennlinienverläufe
eingezeichnet, die sich bei einem herkömmlichen Radialventilator bei einer bestimmten
Drosselminderung und anschließenden Drosselsteigerung ergeben. Im Gegensatz dazu wird
bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Radialventilator vorteilhafterweise gewährleistet,
daß bei gleichbleibend hoher Leistungsdichte keine Instabilitätspunkte mit Hysterese-Kennlinie
auftreten, sondern vielmehr der Radialventilator bei unterschiedlicher Drosselung
immer auf dem durch die Hysterese vorgegebenen höheren, günstigeren Niveau arbeitet.
1. Radialventilator mit einem sich von der Zunge an der Unterkante seiner Luftaustrittsöffnung
zu deren Oberkante spiralförmig um ein Laufrad erweiternden Spiral-Gehäuse, der trotz
stark veränderlichen Betriebsbedingungen mit weitgehend stetiger Kennlinie Δ p = f
(V) arbeitet, gekennzeichnet durch zumindest eine im Bereich der Zunge (22) am Spiral-Gehäuse
(2) zwischen dessen Innenwandung und dem Laufrad (1) angeordnete Sperrwand (3 bzw.4),
durch die ein Wiedereintritt der zur Austrittsöffnung (21) geförderten Luft in den
Spiralkreislauf des Spiral-Gehäuses (2) verhindert ist.
2. Radialventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Sperrwand (4)
mit einer entsprechend dem Strömungsverlauf der Luftströmung gekrümmten Sperrfläche
in das Innere des Spiral-Gehäuses (2) ragt (Fig. 2).
3. Radialventilator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die freien
Anströmkanten der Sperrwand (3 bzw.4) mit wulstartigen Abrundungen (321;331; 322;332)
versehen sind (Fig.7-10; Fig.12,13).
4. Radialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß
die wulstartigen Abrundungen (321;331) einstückig an die Sperrwand (3) angeformt sind
(Fig.7,9,12).
5. Radialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß
die wulstartigen Abrundungen (322;332) als getrennte Bauteile auf die Sperrwand (3)
aufgesetzt und an dieser gehaltert sind (Fig.8,10,12).