DE1276858B - Radialventilator oder -pumpe - Google Patents

Description

• Radialventilator oder -pumpe Die Erfindung betrifft einen Radialventilator oder -pumpe mit einer Eintrittsdüse, die aus kreisförmig profilierten Flächen des Gehäuses und der Laufraddeckscheibe gebildet wird, sowie mit einem zwischen diesen Flächen liegenden Spalt für den Durchtritt der Gehäuserückströmung.
• Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei Radialventilatoren oder -pumpen ist es neben anderen Maßnahmen besonders wichtig, die unvermeidbaren Strömungsverluste in dem Spalt zwischen der Eintrittsdüse des Mediums und dem rotierenden Laufraddeckel möglichst gering zu halten und die Störungen der Strömung im Laufrad zu verringern.
• Es ist bekannt, zu diesem Zweck den Spalt in verschiedener Weise, z. B. durch Labyrinthdichtungen, abzudichten. Dies ist fertigungstechnisch umständlich und teuer.
• Es ist auch bekannt, in der Außenrandzone des Einlaufstroms durch einen Vorsprung einen Druckstau am Spalt zu erzeugen, der dem durch den Spalt fließenden Leckstrom entgegenwirkt und dadurch den Strömungsverlust verringert. Jedoch beeinflussen die dabei entstehenden Wirbel den Wirkungsgrad des Laufrades ungünstig.
• Es ist weiter bekannt, die Energie des im Gehäuse rückströmenden, durch den Spalt eintretenden Luftanteiles durch entsprechende Gestaltung des Spaltes zur Beschleunigung der Grenzschichten am Laufraddeckel zu benutzen. Das verbessert zwar die Füllung des Laufrades, hat aber den Nachteil, daß die Profile der Meridiangeschwindigkeiten im Laufrad durch den Leckstrom ungleichmäßig werden, und zwar derart, daß an der entscheidenden Stelle, wo die Strömung das Laufrad verläßt und auf die Gehäuseströmung trifft, Strömungsschubkräfte auftreten, die ein Aufrollen und eine Verwirbelung der Gehäuseströmung, und damit Strömungsverluste, zur Folge haben.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten Spaltabdichtungen zu vermeiden.
• Erfindungsgemäß schneidet die Tangente am stromabgelegenen Endpunkt des Kreisbogens des Gehäuses das Kreisbogenprofil der Laufraddeckscheibe, und ferner verläuft die Tangente an den an der engsten Spaltstelle gelegenen Punkt des Kreisbogens der Laufraddeckscheibe annähernd parallel zur Laufradachse, und beide Tangenten schneiden sich in einem stumpfen Winkel von 135 bis 155°.
• Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet.
• Durch Gestaltung der Spaltdüse wird in der Grenzschichtströmung, und zwar hinter der Eintrittsdüse, mit möglichst geringen Wirbelverlusten kinetische Energie in statische Energie umgesetzt, um dadurch einen Druckanstieg zu erzeugen und einen guten Spaltabschlüß zur Verminderung der Spaltverluste zu erreichen.
• Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Düse am Laufraddeckel zur Eintrittsdüse am Gehäuse ein Zusammenstoß zwischen Leckstrom und der verzögerten Grenzschichtströmung erzielt, ohne daß die Grenzschichtströmung im Laufrad durch den Leckstrom beschleunigt wird. Dadurch wird eine vorteilhafte Glättung der örtlichen Profile der Meridiangeschwindigkeiten im Laufrad erzielt. -Für den wirbelfreien Druckanstieg hinter der Eintrittsdüse macht die Erfindung von der bekannten Erkenntnis Gebrauch, daß bei Anströmung einer Kugel im turbulenten, überkritischen Bereich die Strömung am Äquator nicht abreißt und daß sich auf der Rückseite der Kugel ein Druckanstieg ergibt.
• Diese Erkenntnis wird bei der Erfindung auf die Anströmung einer Kreisringfläche angewendet, indem der Eintrittsdüse eine ganz bestimmte Kreisringform gegeben wird, die die Durchdringung der Kreisringfläche mit einem koaxialen Zylinder ist. Stromabwärts ist die Düse so begrenzt, daß ohne Abreißen der Strömung, ebenso wie bei der Anströmung einer Kugel, ein Druckanstieg entsteht.
• Voraussetzung für die zu erzielende Wirkung ist eine turbulente Grenzschichtströmung in der Eintrittsdüse. -Dieser Fall liegt bekanntlich meistens vor. Die Erzeugung einer turbulenten Grenzschichtströmung kann aber - wenn nicht vorhanden - durch Anordnung eines Reifens an der Eintrittsdüse des Mantels unterstützt werden. Der Reifen kann als ein Drahtreifen oder als eine Schweißraupe oder in ähnlicher Weise ausgeführt sein.
• Der koaxial eintretende Leckstrom kollidiert mit der schräg auftreffenden stark verzögerten Grenzschichtströmung des stark divergierenden Eintrittsstromes in der Weise, daß sich- eine resultierende Grenzschichtströmung bildet, die zur rotierenden Laufraddüse hin gerichtet ist und deren Geschwindigkeit gegenüber der des Leckstromes verzögert ist. Diese Grenzschichtströmung gleitet auf die rotierende Laufraddüse und erfährt dort durch Zentrifugalkraft eine zunehmende Energiezufuhr, die Ablösungen und Wirbel in der Grenzschichtströmung -verhindert.
• Durch die Kollision der beiden Ströme wird einerseits erreicht, daß der axial eintretende Leckstrom abgelenkt wird und das Profil der Meridiangeschwindigkeiten im Laufradeintritt nicht durch Wirbel stört. Es ergibt sich dadurch eine gute Füllung und ein guter Wirkungsgrad des Laufrades.
• _ - Andererseits wird durch die im stumpfen Winkel auftretende Kollision erreicht, daß auch im Laufradaustritt das Profil der Meridiangeschwindigkeiten nicht durch zu hohe Grenzschichtströmung gestört wird, sondern von der Laufradscheibe zum Laufraddeckel hin gleichmäßig abnimmt. Hierfür ist im wesentlichen die Größe des Kollisionswinkels bestimmend, und es hat sich gezeigt, daß das Optimum des stumpfen Kollisionswinkels, den die beiden Tangenten bilden, in den Grenzen zwischen 135 und 155° liegt.
• _ Das im Laufradaustritt von der Laufradscheibe zum Laufraddeckel gleichmäßig abnehmende Profil der meridionalen Geschwindigkeiten ist deshalb besonders wertvoll, weil eine erhöhte Grenzschichtgeschwindigkeit am Laufraddeckel die im Gehäuse koaxial gleichmäßig rotierende Gehäuseströmung aufrollt und verwirbelt und damit erhöhte Gehäuseverluste verursacht. Dies wird nach der Erfindung vermieden.
• Für das Maß des erzielbaren Druckanstiegs ist das Verhältnis von Höhe zur Sehne des Kreisbogens der Gehäuseführung wichtig. Untersuchungen haben ergeben, daß das günstigste Verhältnis von Höhe h zur Sehne s zwischen 1: 6 und 1: 8 liegt (1: 6 < h : s 1: 8). Bei einer solchen Formgebung ergab sich ein Spaltbeiwert von 0,325 gegenüber, bisher üblichen Spaltwerten zwischen 0,55 und 0,65.
• In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 die laminare Anströmung einer Kugel, F i g. 2 die turbulente Anströmung einer Kugel, F i g. 3 den Axialschnitt durch eine Kreisririgfläche, F i g. 4 schematisch einen Axialschnitt durch ein Ventilatorgehäuse mit der erfindungsgemäßen Anordnung von Eintrittsdüse und Laufrad, F i g. 5 eine weitere Ausführungsart nach F i g. 4. F i g. 1 zeigt den bekannten Verlauf der Grenzschicht bei laminarer Anströmung einer Kugel mit der Ablöselinie 1 und F i g. 2 die durch Anbringung eines Drahtreifens 2 verursachte Umwandlung der laminaren in eine turbulente Grenzschichtströmung mit der Ablöselinie 1', wobei sich hinter der Kugel ein Druckanstieg ergibt. Aus- F i g. 3 ergibt sich, daß bei Anströmung einer Kreisringfläche 3 und Anordnung eines Drahtstreifens 2 das Verlzalten-def-Grenzschichtströmung ähnlich ist wie` bei der Kugelanströmung. Die Düse wird dargestellt als der Ausschnitt 5 einer aus der Durchdringung der Kreisringfläche 3 mit einem Zylinder 4 entstehenden Kreisringfläche. Dieser Ausschnitt ist identisch mit der Umdrehungsfläche des Kreisbogens 5 als Erzeugende um die gemeinsame Drehachse. Mit 1 ist die Linie des Abreißens der Grenzschichtströxnung bezeichnet. Der Drahtreifen 2 bewirkt die Umwandlung von laminarer in eine turbulente Grenzschichtströmung. ' Gemäß F.i g.'4 endet der an der Gehäusewandung 11 befestigte Teil der Eintrittsdüse in einer inneren Abrundung 5, die die Ümdrehungsfläche eines Kreisbogens mit der Höhe h und der Sehne s ist. Der Kreisbogen.5 erstreckt sich so weit bis zu dem Laufradspalt7, daß an-dem Spalt ein Anstieg des-statischeu Druckes ohne Grenzschichtablösung erreicht wird.. Die Grenzen des Verhältnisses von Höhe h zu Sehne s liegen zweckmäßig in einem Bereich h : s von 1: 6 bis 1: B. Mit 13 ist die Tangente an den Kreisbogen 14 des Laufraddeckels 8 an der engsten Stelle des Spaltes 7 bezeichnet, mit 15 die Tangente am inneren Endpunkt des Kreisbogens 5. Die Tangente 15 schneidet erfindungsgemäß den Kreisbogen 14 des Laufraddeckels B.
• Die Darstellung der Profile der Meridiangeschwindigkeit c," zeigt, wie durch die gegenseitige Lage und FörmderAbrundungen5 und14derEinlaufdüsezuerst bis zum Laufradspalt 7 eine Verzögerung der Grenzschichtgeschwindigkeit eintritt und dann nach dem 17bergang zum rotierenden Laufraddeckel 8 das sich ergebende Profil der Meridiangeschwindigkeiten in seiner Struktur bis zum Austritt aus der Laufradschaufel 9 erhalten bleibt. Der Verlauf der Meridiangeschwindigkeiten c," ist also auch an der Austrittskante der Laufradschaufel 9 von dem Laufradboden 10 bis zum Laufraddeckel 8 gleichmäßig abnehmend, d. h. ohne Zunahme der Meridiangeschwindigkeit in der Grenzschicht ani Laufraddeckel B. Es werden dadurch Schubkräfte zwischen dem aus dem Laufrad austretenden Luftstrom und dem im Gehäuse 11 rotierenden Gehäusestrom, wie sie bei höherer Meridiangeschwindigkeit in der Grenzschicht am Laufraddeckel 8 auftreten würden, und damit ein Aufrollen und eine Verwirbelung des. Gehäusestromes vermieden. Der Strömungsverlust im Gehäuse wird dadurch geringer.
• F i g. 5 zeigt einen einfachen und leicht zu fertigenden teilweisen Abschluß 12 des Laufrädspaltes, der zusätzlich eine weitere Herabsetzung des Spaltverlustes ermöglicht. Dieser Abschluß kann durch eine axiale Verschiebung der Düse beliebig eingestellt werden.
• Die Anwendung der Erfindung ist sowohl bei Radialventilatoren als auch bei Pumpen jeder Bauart möglich, da die Voraussetzung turbulenter Grenzschichtströmung in den meisten Fällen vorliegt und - wo. sie nicht gegeben ist - leicht erzeugt werden kann.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Radialventilator oder -pumpe mit einer Eintrittsdüse, die aus kreisbogenförmig profilierten Flächen des Gehäuses und der Laufraddeckscheibe gebildet wird, sowie mit einem zwischen diesen Flächen liegenden Spalt für den Durchtritt der Gehäuserückströmung, dadurch gekennz e i ch n e t, daß die Tangente (15) am stromab gelegenen Endpunkt des Kreisbogens (5) des Gehäuses (6) das Kreisbogenprofil (14) der Laufraddeckscheibe (8) schneidet, daß ferner die Tangente (13) an den an der engsten Spaltstelle gelegenen Punkt des Kreisbogens (14) der Laufraddeckscheibe (8) annähernd parallel zur Laufradachse verläuft und daß beide Tangenten sich in einem stumpfen Winkel von 1,35 bis 155° schneiden: 2. Radialventilator oder -pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstelle, an der die Gehäuserückströmung auf den Laufradstrom trifft, dort liegt, wo am Kreisbogen (5) der Gehäuseführung die Grenzschichtablösung beginnt, oder kurz vor dieser Stelle. 3. Radialventilator oder -pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisbogen (5) der Gehäuseführung (6) ein Verhältnis Höhe (h) zu Sehne (s) zwischen 1: 6 und 1: 8 hat (1: 6 < h : s < 1: 8). 4. Radialventilator oder -pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im vorderen Teil des Kreisbogens (5) der Gehäuseführung (6) an dessen innerer Fläche ein eine turbulente Grenzschichtablösung erzeugender Vorsprung (2), beispielsweise ein Draht od. dgl., angebracht ist. 5. Radialventilator oder -pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisbogen (5) der Gehäuseführung (6) mit einer den Spalt teilweise abdichtenden Spaltdrosselscheibe (12) od. dgl. versehen ist, die zwecks Veränderung des Spaltdurchtritts axial verschoben werden kann. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 592 528; deutsche Patentanmeldung K 11619 I c / 27c (bekanntgemacht am 19. 3. 1953); britische Patentschrift Nr. 710 391; USA.-Patentschrift Nr. 2166 276.