DE20309038U1 - Impeller and idler wheels for flow machines, especially compressors and fans, are made from solid matrix with flow channels in which deflection of flow and associated pressure increase take place - Google Patents
Impeller and idler wheels for flow machines, especially compressors and fans, are made from solid matrix with flow channels in which deflection of flow and associated pressure increase take placeInfo
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Abstract
Description
insbesondere für Verdichter und Ventilatorenespecially for compressors and fans
Die Erfindung betrifft Lauf- und Leiträder für Strömungsmaschinen, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren.
10The invention relates to impellers and guide wheels for turbomachines, in particular for compressors and fans.
10
Die Verdichtung von gasförmigen Fluiden erfolgt in Ventilatoren mit kleiner Druckerhöhung und in Verdichtern mit einer großen Druckerhöhung.The compression of gaseous fluids takes place in fans with a small pressure increase and in compressors with a large pressure increase.
Nach dem Wirkprinzip von Turboverdichtern wird die Arbeit durch Dralländerung zugeführt. Dabei durchströmt das Gas ein sich drehendes und mit einzelnen Laufschaufeln bestücktes Laufrad, durch welches die Arbeit zugeführt wird. Die Durchströmung des Laufrades erfolgt axial, diagonal und radial. Dementsprechend spricht man von Axial-, Diagonal- und Radial-Ventilatoren bzw. Verdichtern.
20According to the operating principle of turbo compressors, the work is supplied by changing the swirl. The gas flows through a rotating impeller equipped with individual blades, through which the work is supplied. The flow through the impeller is axial, diagonal and radial. Accordingly, one speaks of axial, diagonal and radial fans or compressors.
20
Neben den Laufrädern werden stehende, mit einzelnen Leitschaufeln bestückte Strömungsleiteinrichtungen, sogenannte Leiträder, zur Verbesserung der Arbeitsübertragung und des Wirkungsgrades in Ventilatoren und Verdichtern eingesetzt. Die Schaufeln der Lauf- und Leiträder haben eine Eintritts- oder Vorderkante und eine Austritts- oder Hinterkante.In addition to the impellers, vertical flow guide devices equipped with individual guide vanes, so-called guide wheels, are used to improve the transmission of work and the efficiency in fans and compressors. The blades of the impellers and guide wheels have an inlet or leading edge and an outlet or trailing edge.
Die Oberflächen der Schaufeln zwischen Vorder- und Hinterkante bezeichnet man als Druckseite und Saugseite.The surfaces of the blades between the leading and trailing edges are called the pressure side and the suction side.
Mit Bezug auf die Schaufeln der Lauf- und Leiträder ist der mittlere Druck auf der Druckseite der Schaufeln größer als auf der Saugseite, wodurch Kräfte auf die Schaufeln wirken.With regard to the blades of the impellers and diffusers, the average pressure on the pressure side of the blades is greater than on the suction side, which causes forces to act on the blades.
Diese Kräfte sind den Kräften gleich, welche die Lauf- und Leitschaufeln auf die Strömung ausüben und die zur Dralländerung und Arbeitsübertragung in den Ventilatoren und Verdichtern führen. Die Laufschaufeln sind nachThese forces are equal to the forces exerted by the rotor and guide blades on the flow and which lead to the change in swirl and the transfer of work in the fans and compressors. The rotor blades are
Ausführungen gemäß dem Stand der Technik an einer Nabe mit axialer, diagonaler oder radialer Kontur befestigt.State-of-the-art designs mounted on a hub with axial, diagonal or radial contour.
Auf der äußeren, der Laufradnabe gegenüberliegenden Seite können die Laufschaufeln über einen Ring, das Deckband, verbunden und befestigt sein.On the outer side, opposite the impeller hub, the impeller blades can be connected and secured via a ring, the shroud.
Bei Diagonal- und Radialventilatoren und -Verdichtern wird dieser Ring Deckscheibe genannt.In diagonal and radial fans and compressors, this ring is called a cover plate.
Die Leiträder und die Laufräder werden nach außen hin von einem Gehäuse umschlossen. Die Leitradnabe kann stromauf und stromab durch ein feststehendes Gehäuse fortgesetzt werden. Die Spalte zwischen dem Laufrad bzw. Leitrad und Gehäuse werden, im Interesse kleiner Strömungsverluste, möglichst klein ausgeführt. Der Antrieb der Laufräder erfolgt in der Regel durch einen Elektromotor über die Laufradnabe.The guide wheels and the impellers are enclosed on the outside by a housing. The guide wheel hub can be continued upstream and downstream by a fixed housing. The gaps between the impeller or guide wheel and housing are made as small as possible in the interest of low flow losses. The impellers are usually driven by an electric motor via the impeller hub.
Bei der Rotation der Laufräder und der an die Schaufeln gebundenen Druckfelder zwischen Druck- und Saugseite entsteht bekanntermaßen ein intensiver Schall, der auch als Drehklang bezeichnet wird.The rotation of the impellers and the pressure fields attached to the blades between the pressure and suction sides is known to produce an intense sound, which is also referred to as rotational sound.
Eine weitere wichtige Quelle des Schalls sind die Druckschwankungen, die bei der Durchströmung der Lauf- und Leiträder und der damit verbundenen BildungAnother important source of noise is the pressure fluctuations that occur during the flow through the impellers and guide wheels and the associated formation of
großer und kleiner Wirbel entstehen.
25large and small vortices are created.
25
Zur Minimierung des entstehenden Schalls sind im Stand der Technik viele Maßnahmen bekannt.Many measures are known in the state of the art to minimize the resulting noise.
Man unterscheidet zwischen aktiven Maßnahmen, wie z.B. der Auslegung von Ventilatoren und Verdichtern mit kleinem Strömungsverlusten, die Wahl ungleichmäßiger Abstände der Schaufeln voneinander (Teilung) sowie, beispielsweise nach der DE 196 04 638 A1, die Sichelung der Schaufeln oder durch mitrotierende Düsen und Diffusoren.A distinction is made between active measures, such as the design of fans and compressors with small flow losses, the choice of uneven spacing of the blades from one another (pitch) and, for example according to DE 196 04 638 A1, the sickle-shaped design of the blades or by means of rotating nozzles and diffusers.
Ebenfalls bekannt nach der DE 42 05 925 A1 ist ein Gebläse, bei dem der mittlere Teil der Schaufeln aus porösem Material gebildet wird. Das poröse Material ermöglicht eine Durchströmung der Schaufeln von der Druck- zur Saugseite. Dadurch entstehen ein Abbau der Druckunterschiede und eine Verringerung der Geräusche, die durch Wirbel und die Druckunterschiede auftreten. Allerdings verringern sich dadurch auch die Effizienz der Arbeitsübertragung und die Druckerhöhung.Also known from DE 42 05 925 A1 is a blower in which the middle part of the blades is made of porous material. The porous material allows air to flow through the blades from the pressure side to the suction side. This reduces the pressure differences and the noise caused by turbulence and pressure differences. However, this also reduces the efficiency of the work transfer and the pressure increase.
Nach der Lehre der US 005244349 werden zur Verringerung der Masse anstelle des porösen Materials Laufschaufeln mit Perforation eingesetzt.According to the teaching of US 005244349, perforated rotor blades are used instead of porous material to reduce the mass.
Ähnlich sind die Verhältnisse bei einem Axialrad mit gesichelten Schaufeln, die in Strömungsrichtung unterbrochen sind gemäß der Lehre der DE 196 04 638 A1. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Druckverteilung und eine verbesserte Arbeitsübertragung sowie eine verringerte Geräuschentwicklung.The situation is similar with an axial impeller with sickle-shaped blades that are interrupted in the direction of flow according to the teaching of DE 196 04 638 A1. This results in improved pressure distribution and improved work transmission as well as reduced noise.
Gleichfalls wird im genannten Stand der Technik referiert, dass durch Vorsprünge an den Hinterkanten von Laufrädern eine verringerte Geräuschemission erreichbar ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Vorsprünge sowohl auf die Druckfelder als auch auf die Wirbel in der Strömung einwirken.The above-mentioned prior art also states that reduced noise emissions can be achieved by using projections on the trailing edges of impellers. It is assumed that the projections act on both the pressure fields and the vortices in the flow.
Die zweite Gruppe von Maßnahmen zielt im Wesentlichen auf die Dämpfung der entstandenen Geräusche ab. Man bezeichnet diese Gruppe auch als passive Maßnahmen.The second group of measures is essentially aimed at dampening the noise generated. This group is also known as passive measures.
So wird beispielsweise nach der DE 100 19 237 A1 vorgeschlagen, die Nabe und das Gehäuse aus schalldämpfendem Material auszuführen.
Nach der DE 42 44 906 C2 wird ein Gebläse beschrieben, bei dem ein Teil des innen liegenden Gehäuses durch schallabsorbierendes Material gebildet wird.For example, according to DE 100 19 237 A1 it is proposed to make the hub and the housing from sound-absorbing material.
According to DE 42 44 906 C2, a fan is described in which part of the internal housing is made of sound-absorbing material.
In der DE 196 04 638 A1 wird bei Turbinen die Verwendung von Verbundwerkstoffen aus Metall und Verbundmaterialien, Strukturschäumen, syntaktischen Schäumen und deren Mischungen vorteilhaft zur Verringerung der Masse der Schaufeln und der Radialkräfte genutzt.In DE 196 04 638 A1, the use of composite materials made of metal and composite materials, structural foams, syntactic foams and their mixtures is advantageously used in turbines to reduce the mass of the blades and the radial forces.
Zur Beurteilung des Schallleistungspegels von Ventilatoren verwendet man den spezifischen, &Agr;-bewerteten Schallleistungspegel, der auf vereinbarte Werte von Gesamtdruckerhöhung, Volumenstrom und Drehzahl bezogen ist. Ordnet man diese spezifischen Schallleistungspegel zum Beispiel der Durchmesserzahl als Kennzahl für die Bauart der Ventilatoren zu, dann ergibt sich ein Band, in dem die hinsichtlich Wirkungsgrad und spezifischem Schallleistungspegel guten Ventilatoren liegen. Sehr gute Radialventilatoren erreichen spezifische Gesamtschallleistungspegel von etwa 20 dB (A), Axialventilatoren 32 dB (A).To assess the sound power level of fans, the specific, α-weighted sound power level is used, which is based on agreed values of total pressure increase, volume flow and speed. If these specific sound power levels are assigned to the diameter number as an indicator for the design of the fans, for example, then a band is obtained in which the fans with good efficiency and specific sound power level lie. Very good radial fans achieve specific total sound power levels of around 20 dB (A), axial fans 32 dB (A).
Allerdings hat die Entwicklung der vergangenen Jahre gezeigt, dass es trotz intensiver Bemühungen nicht möglich war, die minimalen spezifischen Schallleistungspegel weiter abzusenken. Dem Stand der Technik haftet somit trotz intensiver Bemühungen weiterhin der Nachteil an, dass die Geräuschbelastung von Ventilatoren und Verdichtern immer noch inakzeptabel hoch ist.
25However, developments in recent years have shown that, despite intensive efforts, it has not been possible to further reduce the minimum specific sound power levels. Despite intensive efforts, the state of the art still suffers from the disadvantage that the noise levels from fans and compressors are still unacceptably high.
25
Strömungstechnisch günstige Ventilatoren und Verdichter mit großer Druckerhöhung und großem Volumenstrom bei gegebener Drehzahl und gegebenem Durchmesser haben häufig keine stabile Kennlinie. Die Kennlinie, ermittelt durch Auftragung der Druckerhöhung in Abhängigkeit des Volumenstroms fällt nicht monoton mit steigendem Volumenstrom.Fans and compressors that are favorable in terms of flow technology, with a high pressure increase and a high volume flow at a given speed and diameter, often do not have a stable characteristic curve. The characteristic curve, determined by plotting the pressure increase as a function of the volume flow, does not decrease monotonically with increasing volume flow.
Diese Eigenschaft wird durch ungleichmäßige Abreißerscheinungen an den Lauf- oder Leitschaufeln - rotierendes Abreißen - hervorgerufen und führt zu Wirkungsgradabfall, vergrößerter Schallabstrahlung und zusätzlicher mechanischer Belastung der Schaufeln. Deshalb dürfen Ventilatoren nicht imThis property is caused by uneven tearing off of the rotor or guide blades - rotating tearing off - and leads to a drop in efficiency, increased noise radiation and additional mechanical stress on the blades. Therefore, fans must not be used in
instabilen Betriebsbereich betrieben werden. Zur Verhinderung des instabilen Betriebes sind diverse Stabilisierungseinrichtungen bekannt.unstable operating range. Various stabilization devices are known to prevent unstable operation.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde Lauf- und Leiträder für axiale, diagonale und radiale Ventilatoren bzw. Verdichter zu entwickeln, die einen wesentlich kleineren spezifischen Schallleistungspegel als herkömmliche Ventilatoren bzw. Verdichter aufweisen.The invention is therefore based on the object of developing impellers and guide wheels for axial, diagonal and radial fans or compressors which have a significantly lower specific sound power level than conventional fans or compressors.
Weiterhin wird eine Verbesserung der Kennlinienstabilität angestrebt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Lauf- und Leiträder für Strömungsmaschinen, insbesondere für Verdichter und Ventilatoren gelöst, welche zur Verringerung von Strömungsgeräuschen und zur Verbesserung der Kennlinienstabilität zwischen dem Ein- und dem Austrittsquerschnitt für die Strömung aus einer Feststoffmatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen gebildet werden, in welchen eine Umlenkung der Strömung und die damit verbundene Druckerhöhung erfolgt.Furthermore, an improvement in the characteristic curve stability is sought.
According to the invention, the object is achieved by impellers and guide wheels for turbomachines, in particular for compressors and fans, which are formed from a solid matrix with a plurality of flow channels in order to reduce flow noise and to improve the characteristic curve stability between the inlet and outlet cross sections for the flow, in which a deflection of the flow and the associated increase in pressure take place.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Feststoff matrix nicht isotrop aus zueinander beabstandeten Segmenten aufgebaut, durch welche die Strömungskanäle für das Fluid gebildet werden.
25According to an advantageous embodiment of the invention, the solid matrix is not isotropically constructed from spaced-apart segments through which the flow channels for the fluid are formed.
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Die Segmente weisen in Strömungsrichtung beispielsweise polygonale Querschnitte auf und werden aus Bändern gebildet.The segments have, for example, polygonal cross-sections in the flow direction and are formed from bands.
Gleichfalls vorteilhaft sind die Segmente mit wabenartigem, quadratischem oder trapezförmigem Querschnitt ausgebildet.It is also advantageous if the segments have a honeycomb, square or trapezoidal cross-section.
Die Segmente werden vorzugsweise durch Bänder aus Kunststoff oder Metall ausgebildet oder in einem Gießverfahren hergestellt.The segments are preferably formed by strips of plastic or metal or manufactured by a casting process.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Feststoffmatrix aus isotropen porösen Materialien, welche Strömungskanäle für das Fluid aufweisen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the solid matrix consists of isotropic porous materials which have flow channels for the fluid.
Vorteilhaft werden als poröse Materialien Schäume eingesetzt, insbesondere geeignet sind Metall- oder Kunststoffschäume.
10Foams are advantageously used as porous materials; metal or plastic foams are particularly suitable.
10
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Feststoffmatrix aus faserartigen Strukturen oder auch aus quer zur Strömungsrichtung angeordneten Sieben gebildet.According to a further advantageous embodiment of the invention, the solid matrix is formed from fibrous structures or from sieves arranged transversely to the flow direction.
Der erfindungsgemäße Erfolg wird auch erreicht, wenn die Feststoffmatrix in Strömungsrichtung aus mindestens zwei Schichten aufgebaut ist, wobei die erste Schicht aus faserartigen Strukturen oder aus isotropem porösen Material ausgeführt ist und die zweite Schicht aus Segmenten gebildet wird.The success according to the invention is also achieved if the solid matrix is constructed from at least two layers in the flow direction, wherein the first layer is made of fibrous structures or of isotropic porous material and the second layer is formed from segments.
Generell vorteilhaft ist es, zur mechanischen Stabilisierung der Feststoffmatrix Deckbänder vorzusehen oder auch bei Radialbauart der Laufräder eine Tragscheibe und eine Deckscheibe auszubilden.In general, it is advantageous to provide shrouds for the mechanical stabilization of the solid matrix or, in the case of radial impellers, to form a support disk and a cover disk.
Eine in Bezug auf die Minimierung der Strömungsgeräusche besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass die Strömungskanäle zur Ermöglichung eines partiellen Druckausgleiches in radialer oder Umfangsrichtung und damit verbundener Verringerung der Geräuschbelastung teilweise miteinander verbunden sind.A particularly advantageous embodiment of the invention with regard to minimizing flow noise consists in the fact that the flow channels are partially connected to one another to enable partial pressure equalization in the radial or circumferential direction and the associated reduction in noise pollution.
Nach der Konzeption der Erfindung werden die Lauf- und Leiträder gerade nicht wie herkömmlich üblich mit einzelnen Schaufeln ausgestattet. Nach der Lehre der Erfindung werden die Lauf- und Leiträder durch eine Festkörpermatrix mit einer Vielzahl von Strömungskanälen gebildet.According to the concept of the invention, the impellers and guide wheels are not equipped with individual blades as is conventional. According to the teaching of the invention, the impellers and guide wheels are formed by a solid matrix with a large number of flow channels.
Unter einer Festkörpermatrix sind strukturierte Materialien mit Strömungskanälen für das Fluid zu verstehen, in denen die Umlenkung der Strömung erfolgt.A solid matrix refers to structured materials with flow channels for the fluid in which the flow is redirected.
In der Ausbildung als Axialventilator ist die Festkörpermatrix des Lauf- oder Leitrades beispielsweise scheibenartig ausgebildet.In the design of an axial fan, the solid matrix of the impeller or guide wheel, for example, is designed like a disc.
Die erfindungsgemäßen Lösungen haben die nachfolgend beschriebenen Vorteile:The solutions according to the invention have the advantages described below:
Die Arbeitsübertragung erfolgt wie bei Turbomaschinen über eine Dralländerung. Anstelle der Polaren der Tragflügel, der Gittereinflüsse und der Randverluste treten neue Parameter. Das sind in erster Linie die Kräfte (3 Komponenten) pro Volumeneinheit, die von der Festkörpermatrix bzw. den strukturierten Materialien auf die Strömung ausgeübt werden.As with turbomachines, work is transferred via a change in swirl. Instead of the polarities of the airfoils, the lattice influences and the edge losses, new parameters are used. These are primarily the forces (3 components) per unit volume that are exerted on the flow by the solid matrix or the structured materials.
Der bei bekannten Lösungen an die einzelnen Lauf- und Leitschaufeln sowie Stege und Ähnliches gebundene Wirbellärm sowie der Drehklang und der Sirenenklang entfallen. Deshalb weist das Schallspektrum im mittleren, den Ventilatorlärm bestimmenden Frequenzbereich extrem niedrige Pegel auf. Das Strömungsrauschen bei sehr großen Frequenzen vergrößert sich. Das wirkt sich jedoch nicht wesentlich auf den &Agr;-bewerteten Pegel aus.The vortex noise associated with the individual rotor and guide blades, as well as the webs and similar in known solutions, as well as the rotational sound and the siren sound, are eliminated. Therefore, the sound spectrum in the middle frequency range, which determines the fan noise, has extremely low levels. The flow noise increases at very high frequencies. However, this does not have a significant effect on the α-weighted level.
- Im Teillastbereich entsteht bei hochbelasteten Ventilatoren üblicherweise „rotierendes Abreißen" und damit zusammenhängend intensiver Schall. Rotierendes Abreißen basiert auf der laminaren Ablösung und der Bildung von großen, über einzelne Schaufeln eines Rades hinausgehende Strukturen. Solche Effekte treten bei einer Feststoffmatrix aus strukturiertem Material kaum auf, d.h. alle Kennlinien sind stabil, extra Stabilisatoren entfallen.- In the partial load range, highly loaded fans usually experience "rotating separation" and the associated intense noise. Rotating separation is based on laminar separation and the formation of large structures that extend beyond the individual blades of a wheel. Such effects hardly occur in a solid matrix made of structured material, i.e. all characteristics are stable and extra stabilizers are not required.
Die Wirkungsgrade der neuartigen Ventilatoren sind nicht wesentlich schlechter als die herkömmlicher Ventilatoren, deren Verluste sich aus ebenen, Rand-, Spalt- und Mischungsverlusten zusammensetzen. Bei Schaufeln aus strukturiertem Material sind die Verluste zur ErzeugungThe efficiency of the new fans is not significantly worse than that of conventional fans, whose losses consist of plane, edge, gap and mixing losses. With blades made of structured material, the losses for generating
der Umlenkung (analog zu den ebenen Verlusten) wesentlich größer als üblicherweise. Randverluste, Spaltverluste und Mischungsverluste verkleinern sich.the deflection (analogous to the plane losses) is much larger than usual. Edge losses, gap losses and mixing losses are reduced.
- Alle Streben, z.B. zur Halterung des Motors, werden vorteilhaft entweder aus strukturiertem Material ausgeführt oder sie werden in dieses integriert, damit auch hier die Größe der Ablösewirbel minimiert wird.- All struts, e.g. for mounting the engine, are advantageously either made of structured material or they are integrated into it so that the size of the separation vortices is minimized here too.
- Zum Erreichen eines guten Teillastverhaltens können zwei oder mehrere verschiedene Grundstrukturen in den Lauf- und Leiträdern angewendet werden. So ist eine isotrope faserartige Struktur am Radeintritt zur Minimierung der Stoßverluste und eine wabenartige Struktur am Radaustritt zur Senkung der Reibungsverluste besonders vorteilhaft.- To achieve good part-load behavior, two or more different basic structures can be used in the impellers and guide wheels. An isotropic fiber-like structure at the wheel inlet to minimize shock losses and a honeycomb-like structure at the wheel outlet to reduce friction losses are particularly advantageous.
Für eine Vielzahl von Anwendungen mit axialer Förderrichtung werden Stufendruckzahlen von etwa 1 benötigt (z.B. Staubsaugergebläse). Das ist bisher nur mit Radialstufen, häufig mit nachgeschalteten Leit- und Rückführgittern, möglich. Axiale Ventilatoren mit entsprechend großen Druckzahlen haben instabile Kennlinien mit allen sich daraus ergebenden Nachteilen. Bei Axialstufen aus strukturierten Materialien ergibt sich dieser Nachteil nicht.For a large number of applications with axial conveying direction, stage pressure factors of around 1 are required (e.g. vacuum cleaner fans). This has so far only been possible with radial stages, often with downstream guide and return grilles. Axial fans with correspondingly high pressure factors have unstable characteristics with all the resulting disadvantages. This disadvantage does not arise with axial stages made of structured materials.
Die erfindungsgemäßen Lauf- und Leiträder werden wegen ihrer Kennlinienstabilität insbesondere in Entrauchungsventilatoren eingesetzt.The impellers and guide wheels according to the invention are used particularly in smoke extraction fans due to their characteristic stability.
Das erfindungsgemäße Konzept wird ebenso wegen der geringerenThe inventive concept is also due to the lower
Schallbelastung für Computerventilatoren eingesetzt. Als weiterenNoise pollution for computer fans. Another
beispielhaften Anwendungsfall ist Nutzung des Konzeptes für Wasserdampfturboverdichter zu nennen.An example application is the use of the concept for steam turbo compressors.
Die genannte Auswahl der Einsatzmöglichkeiten zeigt, dass das erfindungsgemäße Lösungsprinzip auf eine Vielzahl unterschiedlichst dimensionierter Ventilatoren und Verdichter einsetzbar ist.
35The above-mentioned selection of possible applications shows that the solution principle according to the invention can be used on a large number of differently dimensioned fans and compressors.
35
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1: Axialschnitt eines Axialventilators für den Rohreinbau,Further details, features and advantages of the invention emerge from the following description of embodiments with reference to the accompanying drawings. They show:
Fig. 1: Axial section of an axial fan for duct installation,
Fig. 2a, b: axiale Ansicht des Axialventilators für den Rohreinbau (Ausschnitt),Fig. 2a, b: axial view of the axial fan for duct installation (detail),
Fig. 3: abgewickelter Coaxialschnitt durch Lauf- und Leitrad desFig. 3: Unfolded coaxial section through impeller and guide wheel of the
Axialventilators für den Rohreinbau,
Axialschnitt durch einen Axialventilator mit freiem Ansaugen,
abgewickelter Coaxialschnitt durch Lauf- und Leitrad eines Axialventilators aus faserartigem und zellulärem Material,Axial fans for duct installation,
Axial section through an axial fan with free suction,
developed coaxial section through the impeller and guide wheel of an axial fan made of fibrous and cellular material,
Axialschnitt durch einen Radialventilator mit einem Laufrand aus fein strukturiertem Material,Axial section through a radial fan with a running edge made of finely structured material,
unterschiedliche zelluläre Strukturen für ein Radialventilatorlaufrad (Radialschnitt),different cellular structures for a radial fan impeller (radial section),
Fig. 8: abgewickelter Coaxialschnitt durch Lauf- und Leitrad einesFig. 8: Unfolded coaxial section through impeller and guide wheel of a
Radialventilators, bei dem die zelluläre Struktur durch viele gewellte und profilierte Scheiben gebildet wird,Radial fan, in which the cellular structure is formed by many corrugated and profiled discs,
Fig. 9: abgewickelter Coaxialschnitt durch Lauf- und Leitrad einesFig. 9: Unfolded coaxial section through impeller and guide wheel of a
Radialventilators, bei dem die zelluläre Struktur durch viele berippte Scheiben gebildet wird,Radial fan, in which the cellular structure is formed by many ribbed discs,
Fig. 10: abgewickelter Coaxialschnitt durch Lauf- und Leitrad eines Radialventilators, bei dem die zelluläre Struktur durch viele berippte Scheiben gebildet wird,Fig. 10: developed coaxial section through the impeller and guide wheel of a radial fan, in which the cellular structure is formed by many ribbed discs,
Fig. 11: axiale Ansicht der berippten Scheiben nach Fig. 10,
Fig. 11 a, b abgewickelter Coaxialschnitt durch ein Lauf- oder Leitrad desFig. 11: axial view of the ribbed discs according to Fig. 10,
Fig. 11 a, b developed coaxial section through an impeller or guide wheel of the
Axialventilators mit Laschen,
Fig. 12 Radialschnitt Struktur für ein Radialventilatorlaufrad mit Laschen.Axial fan with tabs,
Fig. 12 Radial section structure for a radial fan impeller with tabs.
Fig. 1 zeigt einen Axialventilator 23 mit Laufrad 1, Leitrad 2 und Laufradnabe 3 zur Befestigung des Laufrades 1 auf der Welle des Antriebsmotors 5, der meist als Elektromotor ausgeführt ist. Die Leitschaufeln haben außer ihrer Funktion, die Strömung in geeigneter Weise umzulenken, die Aufgabe, den Antriebsmotor 5 im Gehäuse 6 zu halten. Aus Festigkeits- und Montagegründen wird das Leitrad 2 innen durch eine Leitradnabe 4 begrenzt. Die Welle des Antriebsmotors ist mit 22 bezeichnet.Fig. 1 shows an axial fan 23 with impeller 1, guide vane 2 and impeller hub 3 for fastening the impeller 1 to the shaft of the drive motor 5, which is usually designed as an electric motor. In addition to their function of redirecting the flow in a suitable manner, the guide vanes have the task of holding the drive motor 5 in the housing 6. For reasons of strength and assembly, the guide vane 2 is limited on the inside by a guide vane hub 4. The shaft of the drive motor is designated 22.
Erfindungsgemäß werden anstelle der üblichen Lauf- und Leiträder mit profilierten verwundenen Einzelschaufeln Lauf- und Leiträder aus einer Feststoffmatrix aus bevorzugt fein strukturiertem Material verwendet. Dabei können die Wandstärken, der die Segmente bildenden Materialien sehr klein gewählt werden. Damit wird die Kraftwirkung der Schaufeln auf die Strömung in herkömmlichen Ventilatoren auf viele kleine Segmente oder „Strukturelemente" der Matrix aufgeteilt. Die Struktur ergibt eine sehr hohe Festigkeit des Laufund Leitrades 1, 2. Bei besonderen Anforderungen werden in die Lauf- und Leiträder 1, 2 nicht dargestellte Stützelemente integriert.According to the invention, instead of the usual impellers and guide wheels with profiled twisted individual blades, impellers and guide wheels made of a solid matrix made of preferably finely structured material are used. The wall thicknesses of the materials forming the segments can be selected to be very small. This means that the force effect of the blades on the flow in conventional fans is divided into many small segments or "structural elements" of the matrix. The structure results in a very high strength of the impeller and guide wheels 1, 2. If special requirements are met, support elements (not shown) are integrated into the impellers and guide wheels 1, 2.
Die Segmente weisen in Strömungsrichtung 11 polygonale Querschnitte, wabenartige Querschnitte 15 oder quadratische oder trapezförmige Querschnitte auf.The segments have 11 polygonal cross-sections, 15 honeycomb-like cross-sections or square or trapezoidal cross-sections in the flow direction.
Die Segmente werden durch Bänder 19 aus Kunststoff oder Metall ausgebildet. Alle Streben, Stege, Haltevorrichtungen usw. sollten ebenfalls aus strukturiertem Material bestehen oder in dieses integriert werden. Weiterhin dargestellt ist die Richtung der Zuströmung 11 des Fluids und die Drehachse 10 der Motorwelle des Antriebsmotors 5 und des Laufrades 1.The segments are formed by bands 19 made of plastic or metal. All struts, webs, holding devices, etc. should also be made of structured material or integrated into it. Also shown is the direction of the inflow 11 of the fluid and the axis of rotation 10 of the motor shaft of the drive motor 5 and the impeller 1.
Nach einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden die Lauf- und Leiträder 1, 2 zur Verringerung von Lauf- bzw. Strömungsgeräuschen aus isotropen Schäumen ausgebildet.
Die isotropen Schäume werden vorteilhaft als Metall- oder Kunststoffschaum ausgeführt.According to a preferred alternative embodiment of the invention, the impellers and guide wheels 1, 2 are made of isotropic foams to reduce running or flow noise.
The isotropic foams are preferably made as metal or plastic foam.
Ebenso vorteilhaft ist die Ausbildung der Lauf- und Leiträder 1, 2 aus faserartigen Strukturen 14.Equally advantageous is the design of the impellers and guide wheels 1, 2 from fibrous structures 14.
In Fig. 2 ist ein Ausschnitt der Ansicht des Axialventilators in Strömungsrichtung 11 vergrößert dargestellt. Die Struktur aus den Segmenten entsteht beispielsweise durch Aufwickeln und Verbinden eines Bandes 19 mit vorgefertigten Stegen 20. Die Teilung der Struktur ist bei starker Dralländerung aus Gründen der Verlustminderung in radialer Richtung meist größer als in Umfangsrichtung, weil die Verluste der Sekundärströmung mit der Umlenkung und mit dem Seitenverhältnis der Zellen in radialer Richtung und in Umfangsrichtung wachsen. Sie kann dabei in radialer und in Umfangsrichtung Durchtrittsöffnungen aufweisen, was zu einem Geschwindigkeits- und Druckausgleich in radialer und Umfangsrichtung genutzt wird.In Fig. 2, a section of the view of the axial fan in the flow direction 11 is shown enlarged. The structure of the segments is created, for example, by winding and connecting a band 19 with prefabricated webs 20. In the event of a strong change in swirl, the division of the structure is usually larger in the radial direction than in the circumferential direction in order to reduce losses, because the losses of the secondary flow increase with the deflection and with the aspect ratio of the cells in the radial direction and in the circumferential direction. It can have passage openings in the radial and circumferential directions, which is used to equalize speed and pressure in the radial and circumferential directions.
Fig. 3 entsteht aus einem Coaxialschnitt und dessen Abwicklung in einer Ebene. Man erkennt die Strömungskanäle 21, die sich für Lauf- und Leitrad 1, 2 unterscheiden. Zur Veranschaulichung der Schnittgeometrie ist die Zuström richtung 11 und die Drehrichtung 12 des Laufrades 1 angegeben. Die Strömungskanäle 21 können, wie dargestellt, durchgängig sein oder sich aus mehreren Abschnitten zusammensetzen. Die Abmessungen der Strömungskanäle 21 sind so zu wählen, dass sich laminare Grenzschichten bei Reynolds-Zahlen kurz unterhalb des Umschlags zu turbulenten Grenzschichten einstellen.Fig. 3 is created from a coaxial section and its development in one plane. The flow channels 21 can be seen, which are different for the impeller and guide wheel 1, 2. To illustrate the geometry of the section, the inflow direction 11 and the direction of rotation 12 of the impeller 1 are indicated. The flow channels 21 can be continuous, as shown, or consist of several sections. The dimensions of the flow channels 21 are to be selected so that laminar boundary layers are formed at Reynolds numbers just below the transition to turbulent boundary layers.
Fig. 4 zeigt einen Axialventilator mit Ansaugdüse. Zum Erreichen eines guten Teillastverhaltens werden nach dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zwei verschiedene Schichten von Strukturen im Laufrad 1 angewendet. Das Gleiche ist bei Leitrad 2 möglich. Die in Zuströmungsrichtung 11 erste Schicht weist eine faserartige isotrope Struktur 14 zur Minimierung der Stoßverluste am Radeintritt auf. Die sich anschließende zweite Schicht amFig. 4 shows an axial fan with an intake nozzle. In order to achieve good partial load behavior, two different layers of structures are used in the impeller 1 according to this advantageous embodiment of the invention. The same is possible with the guide vane 2. The first layer in the inflow direction 11 has a fibrous isotropic structure 14 to minimize the shock losses at the impeller inlet. The subsequent second layer at the
Radaustritt wird aus einer wabenartigen Struktur 15 gebildet und ist zur Senkung der Reibungsverluste vorteilhaft.Wheel exit is formed from a honeycomb structure 15 and is advantageous for reducing friction losses.
Außerdem ermöglicht die faserartige isotrope Struktur 14 einen radialen Strömungsausgleich. Die zentrifugale und zentripedale Kanalführung in den Strukturen von Lauf- und Leitrad 1, 2 kann vorteilhaft zum Erreichen einer gewünschten radialen Druck- und Geschwindigkeitsverteilung genutzt werden. Die Ansaugdüse 13 hat im Hinblick auf das fein strukturierte Laufrad 1 einen sehr kleinen Abrundungsradius. Zur Sicherung der Festigkeit des Laufrades 1 wird ein Deckband 7 verwendet, welches auch die verschiedenen Schichten aneinander hält.In addition, the fibrous isotropic structure 14 enables radial flow compensation. The centrifugal and centripetal channel guidance in the structures of the impeller and guide wheel 1, 2 can be used advantageously to achieve a desired radial pressure and speed distribution. The intake nozzle 13 has a very small rounding radius in relation to the finely structured impeller 1. To ensure the strength of the impeller 1, a cover band 7 is used, which also holds the various layers together.
Fig. 5 zeigt in einem abgewickelten Coaxialschnitt analog zu Fig. 3 die faserartige isotrope Struktur 14 am Lauf- und Leitradeintritt und die wabenartige Struktur 15 am Austritt von Lauf- und Leitrad 1, 2.Fig. 5 shows in a developed coaxial section analogous to Fig. 3 the fibrous isotropic structure 14 at the impeller and guide wheel inlet and the honeycomb-like structure 15 at the outlet of impeller and guide wheel 1, 2.
In Fig. 6 ist ein Axialschnitt durch einen Radialventilator 24 mit einem erfindungsgemäßen Laufrad 1 aus fein strukturiertem Material dargestellt. Das Laufrad 1 aus fein strukturiertem wabenförmigem Material ist über die Tragscheibe 16 und die Laufradnabe 3 mit dem Antriebsmotor 5 verbunden. Die Deckscheibe 8 begrenzt das Laufrad auf der der Tragscheibe 16 gegenüberliegenden Seite. Das Laufrad wird vom Spiralgehäuse 9 umschlossen. In verschiedenen Anwendungen ist es vorteilhaft, hinter dem radialen Laufrad 1 ein nicht dargestelltes Leitrad 2, welches ebenfalls aus fein strukturiertem Material ausgebildet ist, einzusetzen.Fig. 6 shows an axial section through a radial fan 24 with an impeller 1 according to the invention made of finely structured material. The impeller 1 made of finely structured honeycomb material is connected to the drive motor 5 via the support disk 16 and the impeller hub 3. The cover disk 8 limits the impeller on the side opposite the support disk 16. The impeller is enclosed by the spiral housing 9. In various applications it is advantageous to use a guide wheel 2 (not shown) behind the radial impeller 1, which is also made of finely structured material.
Das Laufrad 1 wird je nach Aufgabenstellung mit verschiedenen faserartigen 14 oder unterschiedlichen wabenartigen, zellulären Strukturen 15 aufgebaut. Fig. 7 zeigt in den 4 Quadranten eines Radialschnitts durch das Laufrad 1 eines Radialventilators verschiedene Kombinationen und Strukturen, die aus ein oder mehreren geraden oder gekrümmten wabenartigen und aus kombinierten faser- und wabenartigen Strukturen gebildet werden. GenerellDepending on the task, the impeller 1 is constructed with various fibrous 14 or different honeycomb-like, cellular structures 15. Fig. 7 shows in the 4 quadrants of a radial section through the impeller 1 of a radial fan various combinations and structures that are formed from one or more straight or curved honeycomb-like and from combined fibrous and honeycomb-like structures.
entsteht durch die Unterteilung des Laufrades in axialer Richtung und Umfangsrichtung die angestrebte feine Struktur.The desired fine structure is created by dividing the impeller in the axial and circumferential directions.
Im ersten Quadranten gemäß Fig. 7 a) wird ein zwei schichtiges Laufrad gezeigt. Es besteht aus einer ersten Schicht mit faserartiger Struktur 14 und einer zweiten Schicht mit wabenartiger Struktur 15.In the first quadrant according to Fig. 7 a), a two-layer impeller is shown. It consists of a first layer with a fibrous structure 14 and a second layer with a honeycomb structure 15.
Im zweiten Quadranten gemäß Fig. 7 b) sind zwei Schichten dargestellt, wobei die erste Schicht in radialer Strömungsrichtung aus einer wabenartigen Struktur 15 mit schräg angeordneten Segmenten und anschließend einer zweiten Schicht aus einer wabenartigen Struktur mit radial angeordneten Segmenten besteht.In the second quadrant according to Fig. 7 b), two layers are shown, wherein the first layer in the radial flow direction consists of a honeycomb-like structure 15 with obliquely arranged segments and then a second layer consisting of a honeycomb-like structure with radially arranged segments.
Im dritten Quadranten gemäß Fig. 7 c) ist eine Schicht dargestellt, die aus einer wabenartigen Struktur 15 mit schräg angeordneten Segmenten bestehen.
Im vierten Quadranten gemäß Fig. 7 d) ist wiederum eine Schicht dargestellt, die aus einer wabenartigen Struktur 15 mit gekrümmt angeordneten Segmenten bestehen.In the third quadrant according to Fig. 7 c), a layer is shown which consists of a honeycomb-like structure 15 with obliquely arranged segments.
In the fourth quadrant according to Fig. 7 d), a layer is again shown which consists of a honeycomb-like structure 15 with curved segments.
In Fig. 8 und Fig. 9 ist die Ausbildung eines fein strukturierten Radiallaufrades aus vielen dünnen, profilierten und vorgefertigten Scheiben 17 mit Rippen nach Fig. 7 dargestellt. Diese Scheiben werden axial nebeneinander gesetzt und miteinander verbunden. Dadurch entsteht ein radiales Laufrad 1 mit hoher Festigkeit, welche durch zusätzliche Zuganker in axialer Richtung noch verbessert werden kann.Fig. 8 and Fig. 9 show the formation of a finely structured radial impeller made of many thin, profiled and prefabricated disks 17 with ribs according to Fig. 7. These disks are placed axially next to one another and connected to one another. This creates a radial impeller 1 with high strength, which can be further improved by additional tie rods in the axial direction.
Fig. 10 zeigt einen abgewickelten Coaxialschnitt durch Lauf- oder Leitrad 1, 2 eines Radialventilators 24, bei dem die zelluläre Struktur durch viele berippte Scheiben 17 gebildet wird. Begrenzt wird die zelluläre Struktur durch die Tragscheibe 16. Gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung führt die gezeigte Anordnung der Segmente zu einer mechanischen Stabilisierung, da die Kräfte in Umfangsrichtung von den derart angeordneten Segmenten besser aufgenommen werden können.Fig. 10 shows a developed coaxial section through the impeller or guide wheel 1, 2 of a radial fan 24, in which the cellular structure is formed by many ribbed disks 17. The cellular structure is limited by the support disk 16. According to this advantageous embodiment of the invention, the arrangement of the segments shown leads to mechanical stabilization, since the forces in the circumferential direction can be better absorbed by the segments arranged in this way.
Fig. 11 a und 11 b zeigen den Coaxialschnitt und den Axialschnitt eines axialen Lauf- oder Leitrades, bei dem die Strömungskanäle 21 durch Laschen 26 gebildet werden, die durch Ausstanzen und Umbiegen aus Bändern entstehen. Zur Verminderung des radialen Strömungsausgleiches werden Abdichtungen 25 verwendet.Fig. 11 a and 11 b show the coaxial section and the axial section of an axial impeller or guide wheel in which the flow channels 21 are formed by tabs 26 which are produced by punching and bending strips. Seals 25 are used to reduce the radial flow compensation.
Fig. 12 zeigt eine Scheibe, deren Rippen aus zwei Reihen von Laschen 26 mit unterschiedlicher Neigung zur Umfangsrichtung gebildet werden. Die Verwendung von mehr als zwei Reihen von Laschen 26 ist eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung.Fig. 12 shows a disk whose ribs are formed from two rows of tabs 26 with different inclinations to the circumferential direction. The use of more than two rows of tabs 26 is an advantageous embodiment of the invention.
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5 Liste der Bezugszeichen5 List of reference symbols
Claims (15)
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R207 | Utility model specification |
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R156 | Lapse of ip right after 3 years |
Effective date: 20060801 |