Leitradloser Axialventilator, insbesondere zur Belüftung von Wärmetauschern

Abstract

 Ausgehend von einem Ventilator mit derart gewölbter Skelettlinie, daß der Relativbetrag (I/I) von Wölbungshöhe (f) über Schaufelsehne zu Abstandslänge (1) zwischen Vorder- und Hinterkante einer Schaufel im Bereich 0,02 < f/I < 0,1 liegt, soll der spezifische Schalleistungspegel bei gleichbleibenden Einbauverhältnissen und nicht verschlechtertem Laufradwirkungsgrad um mindestens 3 dB(A) verringert werden; dazu werden erfindungsgemäß die abströmseitigen Ecken am Außenrand der Schaufeln (S1-S8) abgerundet und das Ventilatorgehäuse (G2) hinter den abströmseitigen Ecken sprunghaft erweitert; außerdem sind folgende spezielle Laufrad-Konstruktionsparameter vorgesehen: 0,25 D_a ≤ D, < 0,35 D_a; 70° ≤ γ_i ≤ 80°; 35° ≤ y_a-y_i ≤ 50°; 0,7 ≤ 1_i/1_a ≤ 1, wobei gilt: D_a bzw. D, = Außen- bzw. Nabendurchmesser des Laufrades; 1_a bzw. 1, = Sehnenlänge des Schaufelprofils im Außen- bzw. Innenschnitt; γ_a bzw. γ_i Schaufeleinstellwinkel an Außen- bzw. Innenschnitt einer Schaufel.
Eine Anwendung eignet sich insbesondere zur geräuscharmen Kühlung von Wärmetauschern.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen leitradlosen Axialventilator, insbesondere zur Belüftung von Wärmetauschern gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1; ein derartiger Axialventilator ist aus der DE-OS 25 41 416 bekannt.

[0002] Bei dem bekannten schallgedämpften Axialventilator mit einer von einem Gehäuse umschlossenen Ventilatoreinheit ist vorgesehen, den lichten Durchmesser des Gehäusestükkes, welches sich an das den strömungsaktiven Teil des Ventilators ummantelnden Gehäuseteil anschließt, um etwa 25 % sprunghaft zu vergrößern; spezielle Konstruktionsparameter für eine Laufradauslegung, eine spezifische Abrundung der abströmseitigen Schaufelecken der Schaufeln des Laufrades sowie über das Vorhandensein eines zumindest abströmseitigen Schutzgitters fehlen im bekannten Fall.

[0003] Eine typische Anforderung an Ventilatoren der eingangs genannten Art, insbesondere wenn sie zum Betrieb in Verbindung mit Kühlern eingesetzt werden sollen, ist die Forderung nach einer bestimmten Freiblasemenge, d.h. einer bestimmten geförderten Luftmenge ohne wesentlichen statischen Druckunterschied, bei gleichzeitiger Forderung nach einem Mindestluftdruck bei einem bestimmten Prozenzsatz dieser Luftmenge, z.B. bei einer wegen Kühlervereisung oder Kühler- bzw. Filterverschmutzung um 30 - 40 % verminderten Freiblasemenge. Weiterhin soll die geforderte Luftmenge den Ventilator mit möglichst gleichmäßigem Geschwindigkeitsprofil und möglichst geringer Drallkomponente verlassen, wodurch Strömungsgeräusche an den beströmten und zu kühlenden Bauteilen klein bleiben. Ferner sind aus Einbaugründen die Maximalabmessungen derartiger Ventilatoren vorgeschrieben. Da weiterhin Saug-und Druckseite der Ventilatoren zugänglich sind, müssen aus Sicherheitsgründen dort Schutzgitter angebracht sein, die an sich den zuvor genannten Forderungen nachteilig entgegenstehen.

[0004] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von einem leitradlosen Ventilator der eingangs genannten Art ohne Notwendigkeit einer Vergrößerung bzw. Veränderung der Einbauverhältnisse, wie z.B. der Entfernung von ausströmseitigen Schutzgittern und ohne Verschlechterung des Laufradwirkungsgrades den spezifischen Schalleistungspegel wesentlich senken zu können.

[0005] Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.

[0006] Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß durch die Kombination der Abrundung der abströmseitigen Ecken der Schaufeln in Verbindung mit einem sprunghaft erweiterten umgebenden Gehäuse im Widerspruch zur Lehrbuchmeinung, nach der die Vergrößerung des mittleren Luftspaltes zwischen Laufrad und umgebenden Gehäuse an sich eine Geräuschpegelanhebung erwarten läßt und außerdem die maximal mögliche Druckerzeugung (Abreißpunkt) bei größeren Luftspalten verschlechtert wird, trotzdem keine Geräuschanhebung in Kauf genommen werden muß.

[0007] Als besonders zweckmäßige Konstruktionsauslegung für das gesamte, mit einem sprunghaft erweiterten Diffusor-Gehäuseteil versehene Ventilatorgehäuse hat sich eine Konstruktion erwiesen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß für das Diffusor-Gehäuseteil ein Gesamtöffnungs- bzw. Durchmesserverhältnis von 1,03 ≤ D2/DA≤ 1,25 und eine gesamte axiale Länge von 0,10 D_A≤ 1_D ≤0,5 D_A vorgesehen ist, wobei D_A etwa die lichte Weite des Ventilatorgehäuses im Bereich des Laufrades und D₂ den größten Durchmesser des Diffusor-Gehäuseteils bezeichnet.

[0008] Eine herstellungstechnisch besonders günstige Ausführung des Diffusor-Gehäuseteils ist dadurch gekennzeichnet, daß für diesen Gehäuseteil zunächst eine hinter dem Laufrad beginnende plötzliche Erweiterung mit einem Steigungswinkel: 15°≤α₁≤ 60° bis auf ein Durchmessermaß: 1,02 D_A≤ D₂₁≤ D₂ und eine anschließende allmähliche Erweiterung mit dem Steigungswinkel: 0°≤α₂ ≤10° auf das Durchmessermaß 0₂ vorgesehen ist. In vorteilhafter Weise besteht der Diffusor-Gehäuseteil dabei aus einem im Bereich seiner Erweiterung mittels eines entsprechenden Prägestempels aufgeweiteten Rohrstück.

[0009] Die erzielbaren Vorteile der erfindungsgemäßen Konstruktion des umgebenden Ventilatorgehäuses in Kombination mit der vorgesehenen Flügelkantenabrundung lassen sich im Sinne der Aufgabenstellung vorliegender Erfindung dadurch noch weiter verbessern, daß nach einer Ausgestaltung der Erfindung ein Laufrad für einen leitradlosen Axialventilator mit über den Umfang der Laufradnabe einer Ventilatoreinheit gleichmäßig bzw. ungleichmäßig verteilt angeordneten verwundenen profilierten Schaufeln mit derart gewölbter Skelettlinie, daß der Relativbetrag (f/1) von Wölbungshöhe (f) der Skelettlinie über Schaufelsehne zu Abstandslänge (1) zwischen Vorder- und Hinterkante einer Schaufel im Bereich: 0,02 f/1 0,1 liegt, vorgesehen ist, wobei das Laufrad nach einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung durch folgende weitere Konstruktionsparameter gekennzeichnet ist:







mit folgenden Definitionen:

Da Außendurchmesser des Laufrades;

D_i = Nabendurchmesser des Laufrades;

l_a = Sehnenlänge zwischen Vorderkante und Hinterkante des Schaufelprofils im Außenschnitt;

l_i = Sehnenlänge zwischen Vorderkante und Hinterkante des Schaufelprofils im Innenschnitt;

γ_A = Schaufeleinstellwinkel am Außenschnitt einer Schaufel gegen Umfangsrichtung D (Drehrichtung) gemessen;

γ_i = Schaufeleinstellwinkel am Innenschnitt einer Schaufel gegen Umfangsrichtung D (Drehrichtung) gemessen.

[0010] Auch die nach dieser Ausgestaltung vorgesehenen speziellen Konstruktionsparameter einer Flügelradauslegung liegen außerhalb der von der Fachliteratur empfohlenen Richtlinien, nach denen folgendes gilt:

[0011] Ausgehend vom lehrbuchmäßigen Stand der Technik sind zur Lösung der gestellten Aufgabe folgende Maßnahmen erfolgversprechend:

a) Verringerung des Nabenverhältnisses D_i/D_a zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung und damit geringen Geräuschentwicklung,

b) Erhöhung der Druckziffer,

c) Erhöhung der Volumenziffer.

[0012] Diese drei dem Durchschnittsfachmann bekannten Auslegungsgrößen für Ventilatoren sind miteinander derart verkettet, daß die Größen a) und c) im gleichen Sinne jedoch entgegengesetzt zur Dimensionsgröße b) wirken. Durch die Vorgabe maximaler Einbauverhältnisse sowie von erforderlichem Druck und erforderlichem Volumenstrom sind die Dimensionsgrößen: Druckziffer und Volumenziffer dadurch festgelegt, daß man versuchen wird, die Umfangsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Laufrades aus Geräuschgründen möglichst klein zu halten. Der minimale zugehörige Wert der Umfangsgeschwindigkeit ist jedoch durch einen von der Bauart, insbesondere vom Nabenverhältnis D_i/ D_a des Laufrades abhängigen maximal möglichen Wert für die Druckziffer bestimmt. Als Auslegungsregel kann bekannterweise hierfür gelten, daß zum Erzielen eines guten Wirkungsgrades der Wert für die Druckziffer umso kleiner wird, je größer der Wert der Volumenziffer ist. Dieser Zusammenhang ist aus der einschlägigen Literatur als Cordier-Kurve bekannt. Aus dem Lehrbuch "Ventilatoren" von Bruno Eck, 1972, S.271, Abb.265, sind darüber hinaus modifizierte Zusammenhänge zwischen der Druckziffer und der Volumenziffer bzw. der davon linear abhängigen dimensionslosen Größen der Durchmesserzahl und Schnellaufzahl bekannt. In Abhängigkeit von diesen Größen wird in dem genannten Lehrbuch jeweils ein Nabenverhältnis empfohlen, mit dem ein optimaler Wert in Verbindung mit einem guten Wirkungsgrad gewährleistet werden kann. Ein wesentliches Abweichen von den empfohlenen Werten soll zur Folge haben, daß kein guter Wirkungsgrad erreichbar ist und insbesondere daß bei Unterschreitung der lehrbuchmäßig empfohlenen Werte des Nabenverhältnisses ein Abreißen der Strömung im Nabenbereich und eine entsprechende höhere Geräuschbildung eintreten.

[0013] Obwohl die nach der Ausgestaltung vorgesehene Laufradauslegung von den zuvor genannten bzw. allgemein empfohlenen Werten abweicht, hat sich trotzdem in überraschender Weise gezeigt, daß der erfindungsgemäße Ventilator mit den speziellen Konstruktionsparametern für das Schaufelprofil unter Einhaltung der geforderten Werte für Volumenstrom und Maximaldruck bei einem bestimmten Prozentsatz dieses Volumenstroms sowie bei gegebenen Maximaleinbauverhältnissen und möglichst geringer Umfangsgeschwindigkeit sowie einem geringen Nabenverhältnis Abreißerscheinungen im Laufrad nicht auftreten und die Strömung dem Zustand einer gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung bei gegebenem Volumenstrom näher liegt als bei größeren, bekannten Nabenverhältnissen und daß der absolute Betrag dieser Geschwindigkeit geringer ist. Außerdem ergibt die erfindungsgemäß vorgesehene Schaufelradauslegung mit hoher Arbeitsverteilung im Schaufelaußenbereich in unerwarteter Weise in Kombination mit der erfindungsgemäßen Gehäuseausführung und Flügelkantenabrundung eine weitere Verbesserung im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung mit reduzierten Spitzenwerten hinter dem Ventilator und somit trotz hoher Förderleistung eine weitere Geräuschminderung, die insgesamt eine Absenkung von 3 bis 4 dB(A) ermöglicht.

[0014] Außerdem hat sich gezeigt, daß der Druckverlust an einem nach einer Ausgestaltung vorgesehenen austrittsseitigen Schutzgitter geringer ist, was zu einer weiteren Geräuschreduzierung infolge geringerer zu erbringender Luftleistung und infolge reduzierter Strömungsgeräusche führt. Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:

Fig. l die Seitenansicht einer in einem Ventilatorgehäuse angeordneten Ventilatoreinheit eines leitradlosen Axialventilators,

Fig. 2 eine stirnseitige Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Teilausschnitt der Darstellung in Fig.l,

Fig. 4 eine radiale Draufsicht auf einen Teil der als Abwicklung dargestellten Nabenoberfläche mit der Darstellung eines Schaufelprofils im Innen- und im Außenschnitt.

[0015] Gemäß Fig. 1, 2 ist eine im wesentlichen aus einem Antriebsmotor M mit auf dessen Abtriebswelle befestigtem Lüfterrad LR mit Schaufeln S1-S8 bestehende Lüftereinheit in einem umgebenden Gehäuse angeordnet, das sich aus einem unmittelbar die Ventilatoreinheit M, LR umgebenden ersten Gehäuseteil Gl und einem zweiten Diffusor-Gehäuseteil G2 zusammensetzt. Sowohl an der Eintritt- als auch an der Austrittsseite des Gehäuses ist jeweils ein Schutzgitter SG befestigt.

[0016] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich an den unmittelbar die Ventilatoreinheit M, LR umgebenden ersten Gehäuseteil Gl austrittsseitig ein zweiter Diffusor-Gehäuseteil G2 von sprunghaft vergrößerter lichter Weite im Abstandsbereich von ± 0,3 l zu den abströmseitigen Ecken der Schaufeln S1-S8 anschließt, wobei die Größe l_a die Sehnenlänge des Schaufelprofils im Außenschnitt bezeichnet und als Ausgangspunkt des Abstandsbereichs laufradseitig von nicht abgerundeten Ecken ausgegangen wird.

[0017] Um einerseits in lufttechnisch günstiger Weise eine sprunghafte Erweiterung des Gehäuses zu erreichen und andererseits diese Erweiterung mit möglichst geringem Fertigungsaufwand herstellen zu können, ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung für den Diffusor-Gehäuseteil G2 eine hinter dem Laufrad LR im vorgenannten Sinne zunächst mit einem Steigungswinkel: 15°≤ α₁ ≤ 60° bis auf ein Durchmessermaß: 0,4 D2≤ D₂₁≤ D₂ vorgesehen, dem sich eine anschließende allmähliche Erweiterung mit einem Steigungswinkel: 0°≤α₂≤ 10⁰ auf das Durchmessermaß D₂ anschließt; zweckmäßigerweise wird ein derart ausgebildeter Diffusor-Gehäuseteil aus einem dem Durchmessermaß D_A zunächst entsprechenden Rohrstück hergestellt, das durch einen die Außenmaße der Erweiterung aufweisenden Prägestempel aufgeweitet ist.

[0018] Nach weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist für das Diffusor-Gehäuseteil G2 ein Gesamtöffnungs-Durchmesserverhältnis: 1,03≤ D_A/D₂≤ 1,25 und eine gesamte axiale Länge: 0,10 D_A≤ 1_D≤ 0,5 D_a vorgesehen, wobei D_A etwa die lichte Weite des Ventilatorgehäuses (erster Gehäuseteil Gl) im Bereich des Laufrades LR und D₂ den größten Durchmesser des Diffusor-Gehäuseteils G2 an seiner Austrittsseite bezeichnet.

[0019] Wie inbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, ist im Sinne eines guten Luftradwirkungsgrades bei gleichzeitiger hoher Geräuscharmut in Kombination mit der erfindungsgemäßen Aufweitung des Gehäuses im Bereich des Diffusor-Gehäuseteils G2 vorgesehen, daß zumindest die abströmseitigen Ecken der Schaufeln S1-S8 entsprechend einem Krümmungsradius von 0,1 l_a≤ r C 0,2 l_a abgerundet sind.

[0020] Weiterhin ist in Kombination mit den vorgenannten Konstruktionsparametern des Ventilatorgehäuses und der abströmseitigen Ecken der Schaufeln unter Bezugnahme auf die Teilabwicklung der Nabe N gemäß Fig.4 mit den dort eingetragenen Bezugsgrößen für die Drehrichtung D, die Luftströmungsrichtung L und eine im Außen- und Innenschnitt dargestellte Schaufel eine erfindungsgemäße Laufradkonstruktion durch folgende Konstruktionsparameter gekennzeichnet:

Da Außendurchmesser des Laufrades;

D_i = Nabendurchmesser des Laufrades;

I_a = Sehnenlänge zwischen Vorderkante und Hinterkante des Schaufelprofils im Außenschnitt;

I_i = Sehnenlänge zwischen Vorderkante und Hinterkante des Schaufelprofils im Innenschnitt;

= Schaufeleinstellwinkel am Außenschnitt einer Schaufel gegen Umfangsrichtung D (Drehrichtung) gemessen;

γ_i = Schaufeleinstellwinkel am Innenschnitt einer Schaufel gegen Umfangsrichtung D (Drehrichtung) gemessen.

[0021] Mit den vorgenanten Konstruktionsparametern ist das gesamte Schaufelprofil unter Zugrundelegung der üblichen Berechnungsverfahren für profilierte Schaufeln von Verdichtern und Ventilatoren bestimmbar; dabei sind die bei Konstruktionen von Axiallaufrädern üblichen und empfohlenen Uberdeckungsverhältnisse zugrundezulegen.

9 Patentansprüche

4 Figuren

Ansprüche

1. Leitradloser Axialventilator, insbesondere zur Belüftung von Wärmetauschern, mit einem eine Ventilatoreinheit unmittelbar umschließenden ersten Gehäuseteil und einem ausströmseitig anschließenden zweiten Diffusor- Gehäuseteil von sprunghaft vergrößerter lichter Weite, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest die abströmseitigen Ecken am Außenrand der Schaufeln (S1-S8) der Ventilatoreinheit (M;LR) abgerundet (Krümmungsradius r) sind und der Beginn der sprunghaft vergrößerten lichten Weite des Diffusor-Gehäuseteils (G2) im Abstandsbereich von f 0,3 I_a zu den abströmseitigen Ecken der Schaufeln (S1-S8) des Laufrades (LR) vorgesehen ist, wobei die Größe l_a die Sehnenlänge des Schaufelprofils im Außenschnitt bezeichnet (Fig.2,3).

2. Leitradloser Axialventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die abströmseitigen Ecken der Schaufeln (S1-S8) entsprechend einem Krümungsradius: 0,1 l_a ≤ r ≤ 0,3 l_a abgerundet sind.

3. Leitradloser Axialventilator nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß für das Diffusor-Gehäuseteil (G2) ein Gesamtöffnungs- bzw. Durchmesserverhältnis: 1,03 ≤ D₂/D_A ≤ 1,25 vorgesehen ist, wobei D_A etwa der lichten Weite des Ventilatorgehäuses (erster Gehäuseteil Gl) im Bereich des Laufrades (LR) entspricht und D₂ den größten Durchmesser des Diffusor-Gehäuseteils (G2) bezeichnet.

4. Leitradloser Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet , daß für den Diffusor-Gehäuseteil (G2) eine gesamte axiale Länge: 0,10 DA≤ l_D≤ 0,5 D_A vorgesehen ist, wobei D_A etwa der lichten Weite des Ventilatorgehäuses (erster Gehäuseteil Gl) im Bereich des Laufrades (LR) entspricht.

5. Leitradloser Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet , daß für den Diffusor-Gehäuseteil (G2) eine hinter dem Laufrad (LR) beginnende plötzliche Erweiterung mit einem Steigungswinkel: 15°≤α₁≤ 60° bis auf ein Durchmessermaß 0,04 D_A ≤ D₂₁ ≤ D₂ und eine anschließende allmähliche Erweiterung mit dem Steigungswinkel: 0°≤d₂≤10° auf das Durchmessermaß D₂ vorgesehen ist.

6. Leitradloser Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Diffusor-Gehäuseteil (G2) aus einem im Bereich seiner Erweiterung mittels eines entsprechenden Prägestempels aufgeweiteten Rohrstück besteht.

7. Leitradloser Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Gehäuseteil (Gl) und der Diffusor-Gehäuseteil (G2) zusammen ein einstückiges Rohrstück bilden.

8. Leitradloser Axialventilator nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Diffusor-Gehäuseteil (G2) ausströmseitig mit einem Schutzgitter (SG) versehen ist.

9. Leitradloser Axialventilator mit über den Umfang der Laufradnabe einer Ventilatoreinheit gleichmäßig bzw. ungleichmäßig verteilt angeordneten verwundenen profilierten Schaufeln mit derart gewölbter Skelettlinie, daß der Relativbetrag (f/l) von Wölbungshöhe (f) der Skelettlinie gegenüber Schaufelsehne zu Abstandslänge (1) zwischen Vorder- und Hinterkante einer Schaufel im Bereich: 0,02 ≤ f/1 < 0,1 liegt, nach einem der Ansprüche 1 - 8, gekennzeichnet durch folgende Konstruktionsparameter für das Laufrad der Ventilatoreinheit:







mit folgenden Definitionen:

D_a = Außendurchmesser des Laufrades;

D_i = Nabendurchmesser des Laufrades;

l_a = Sehnenlänge zwischen Vorderkante und Hinterkante des Schaufelprofils im Außenschnitt;

l_i = Sehnenlänge zwischen Vorderkante und Hinterkante des Schaufelprofils im Innenschnitt;

γ_A = Schaufeleinstellwinkel am Außenschnitt einer Schaufel gegen Umfangsrichtung D (Drehrichtung) gemessen;

δ_i = Schaufeleinstellwinkel am Innenschnitt einer Schaufel gegen Umfangsrichtung D (Drehrichtung) gemessen.

Zeichnung