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Trommelläufer für Radialventilator Die Erfindung bezieht sich auf
Trommelläufer für Radialventilatoren mit vorwärts gekrümmten Schaufeln. Derartige
Radialventilatoren eignen sich besonders gut für Lüftungsanlagen für nicht industrielle
Zwecke, weil sie eine höhere Lieferziffer und infolgedessen geringere Baugröße sowie
eine höhere. Druckziffer und damit für die Verminderung der Geräuschbildung erwünschte
niedrigere Drehzahlen besitzen als die üblichen Radialventilatoren mit rückwärts
gekrümmten Schaufeln,. Trommelläufer mit vorwärts gekrümmten Schaufeln sind infolge
der kleinen Baugröße besonders billig in der Herstellung.
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Diesen Vorteilen stehen aber die Nachteile niedriger Wirkungsgrade
gegenüber, die bei Einzelventilatoren geringer Leistung wohl in Kauf genommen werden
können, nicht jedoch bei Einzelventilatoren höherer Leistung oder beim Einbau einer
größeren Anzahl von Ventilatoren.
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Der ungünstige Wirkungsgrad der Trommelläufer mit vorwärts gekrümmten
Schaufeln ist darauf zurückzuführen, daß durch die große Druckumsetzung in einem
relativ kurzen Schaufelkanal Strömungsablösungen und damit große Verluste auftreten,
was bei Ventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln infolge ihrer längeren Schaufelkanäle
nicht der Fall ist. Es ist auch zur Erhöhung der Lieferziffer bekarrt, die Breite
des Trommelläufers in. axialer Richtung zu vergrößern und wabenförmig zu unterteilen.
Hierdurch wird der Wirkungsgrad aber nicht verbEssert.
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Die. Erfindung bezweckt, einen Trommelläufer für Radialventilatoren
zu schaffen, dessen besonders stark vorwärts gekrümmte Laufradschaufeln eine hohe
Lieferziffer und Druckziffer ergeben, und dessen Wirkungsgrad höher liegt als bei
den bekannten Bauarten von Trommel-IäufErn mit vorwärts gekrümmten Blechschaufeln.
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Gemäß dc:r Erfirdung wird dies dadurch erreicht, daß der Austritts«-inkel
der Laufradschaufeln zwischen 0 und 10° und der Gesamtumschlingungswinkel zwischen
115 und 145° liegt. Dabei können die Laufradschaufeln über einen Austrittswinkel
von 0° hinaus nach vorwärts bis zu 10° nach innen gekrümmt sein.
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Die Strömungsverhältnisse bei solchen Trommelläufern mit vorwärts
gekrümmten Schaufeln sowie die erfindungsgemäße Anordr_ung werden an Hand der Zeichnung
erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Geschwindigkeitsdreieck für den Schaufelaustritt
bei einer vorwärts gekrümmten Laufradschautel bekannter Art; Fig.2 zeigt d(n Schaufelkanal
zwischen zwei gemäß Fig. 1 gekrümmten Schaufeln; Fig. 3 zeigt die Erweiterung des
Schaufelkanals gemäß Fig. 2 in Strömungsrichtung; Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäß
nach vorwärts gekrümmte Laufradschaufel mit einem Austrittswinkel ß2 = 0°; Fig.
5 zeigt eine Laufradschaufel mit einem Austritts-Winkel von 10';
Fig. 6 zeigt
eine über einen Austrittswinkel von 0° hinaus nach vorwärts um 1t)° nach innen gekrümmte
Laufradschaufel ; Fig. 7 zeigt den Schaufelkanal zwischen zwei Laufradschaufeln
gemäß Fig. 4 mit einem Austrittswinkel von 0°; Fig. 8 zeigt die Verengung des Schaufelkanals
gemäß Fig. 7 in Strömungsrichtung.
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Bei einem Radialventilator induziert der aus dem Laufrad austretende
Förderstrom in dem Gehäuse zwischen Gehäusewand und Laufraddeckel eine nm die Eintrittsdüse
koaxiale gleichmäßige Rotationsströmung, sofern der Austrittswinkel zwischen der
absoluten Laufradströmung und der Umfangsrichtung genügend klein ist.
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Bei steigender Durchflußmenge, also steigender Meridiangeschwindigkeit,
vergrößert sich der Austrittswinkel der absoluten Laufradströmung; dies hat in zunehmendem
Maße Störungen der Rotationsströmung zur Folge, die bis zur vollständigen Auflösung
der gleichmäßigen Rotationsströmung und damit zu hohen Gehäuseverlusten führen.
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Erfindungsgemäß werden deshalb die Enden der Laufradschaufeln so stark
vorwärts gekrümmt, daß der Austrittswinkel ß2 zwischen 0 und 10° liegt. Da infolge
der endlichen Schaufelzahl der Austrittswinkel der Absolutströmung größer ist als
sich aus der Größe der Meridiangeschwindigkeit und dem ß2 des Schaufelendes ergibt,
kann es notwendig sein, die Laufradschaufeln sogar über den Austrittswinkel ß2 von
0° hinaus nach vorwärts und innen zu krümmen. Das Schaufelende liegt dann innerhalb
des Laufradumfanges, ohne daß dadurch die Gehäuseströmung gestört wird.
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Der Austrittswinkel ß2 der Laufradschaufel soll also erfindungsgemäß
0° sein oder beiderseits bis zu 10° von 0° abweichen, d. h. die Tangente an das
Austrittsende der
Schaufel fällt mit der Tangelte@äri ß.en.'Kreis
des Laufradumfanges im Berührungspunkt beider zusammen oder weicht beiderseits bis
zu 10° ab.
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Dem Gehäuseverlust, der durch Störung der koaxial zur Eintrittsdüse
laufenden induzierten Rotationsströmung bei hohen Durchflußmengen entsteht, wurde
bisher wenig Beachtung geschenkt. Er wird erfindungsgemäß, wie weiter unten näher
ausgeführt, durch extreme Vorwärtskrümmung der Laufradschaufelenden herabgesetzt,
wodurch der Austrittswinkel des absoluten, die Rotationsströmung induzierenden Laüfrädstromes
flacher verläuft.
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Bei der bisherigen Konstruktion von Trommelläufern mit vorwärts gekrümmten
Schaufeln wurde der Hauptwert auf eine große Lieferziffer bei kleiner Drehzahl gelegt.
Der Eintrittswinkel der Schaufel ß1 muß hierzu möglichst groß sein. -Es ist nach
den bisherigen Erfahrungen auch wichtig, daß der Austrittswinkel ß2 -kleiner ist
als der Eintrittswinkel ß1, um größere örtliche Verzögerung, die mit Ablösungen
verbunden ist, zu vermeiden. Der Gesamtumschlingungswinkel a = 180° - (ß, + ß2)
ist bei den vorwärts gekrümmten Blechschaufeln der bekannten Trommelläufer nicht
größer als 90° (a:##_ 90°), weil die Schaufelkanalführung mit einem über 90° hinaus
wachsenden Umschlingungswinkel a zunehmend schlechter wird und durch die Verzögerung
der Relativgeschwindigkeit zu Ablösungen und Wirbeln in großem Umfang führt. Für
die Erfüllung der genannten Forderungen: a < 90°, ß1 möglichst groß, ß2 kleiner
als ß1, ergeben sich für die Bemessung des Schaufelaustrittswinkels ß2 enge Grenzen;
denn bei einem günstigen Eintrittswinkel ß1 von etwa 40 bis 50°, wie er mit Rücksicht
auf Lieferziffer und Vermeidung von Stoßverlusten bei Trommelläufern mit vorwärts
gekrümmten Schaufeln gewählt wird, liegen die Grenzen für den Austrittswinkel ß2
zwangläufig nicht unter 50 bis 40°, da der Gesamtumschlingungswinkel a bei Verwendung
von nicht profilierten Blechschaufeln nicht über 90° (a< 180° - A -f- ß2)-<
90°) liegen darf.
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Der Erfindungsgedanke; den- Gehäuseverlust durch extreme Vorwärtskrümmung
des Austrittswinkels ß, herabzusetzen, gibt die Möglichkeit, einen Schaufelkanal
von sich verengendem Querschnitt zu bilden, wenn der Gesamtumschlingungswinkel a
größer als 90° ist und in den Grenzen zwischen 115 und 145° liegt. Auch der Eintrittswinkel
ß, kann günstig mit etwa 40 bis 50° gewählt werden, ebenso ist der Austrittswinkel
ß2 kleiner als der Eintrittswinkel ß,. Die Bedingungen für geringe Laufradverluste
bei hohen Lieferziffern sind dadurch gegeben. Gleichzeitig ist aber auch erst die
Voraussetzung dafür geschaffen, daß die Gehäuseverluste bei extrem hohen Durchflußmengen
klein gehalten werden können.
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In Fig. 1 ist die vorwärts gekrümmte Laufradschaufel eines Trommelläufers
bekannter Bauart daxgestellt mit dem Eintrittswinkel ß1, dem Austrittswinkel ß2-und
dem Gesamtumschlingungswinkel a < 90°.
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Aus dem Geschwindigkeitsdreieck für den Schaufelaustritt geht hervor,
daß die Neigung des Richtungswinkels y2 der absoluten Austrittsgeschwindigkeit c2
außer von der festliegenden Umfangsgeschwindigkeit aal abhängig ist von dem Schaufelaustrittswinkel
ß2 und der Meridiangeschwindigkeit c,.; ferner die bekannte Tatsache, daß infolge
des Einflusses der endlichen Schaufelzahl sich eine Absolutgeschwindigkeit c3 mit
einem Richtungswinkel y3 einstellt, der größer als y2 ist.
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In Fig. 2 ist der Schaufelkanal zwischen zwei Laufradschaufeln gemäß
Fig. 1 dargestellt. Dieser Schaufelkanal erweitert sich etwas gemäß Fig.3, wie sich
aus den wachsenden Durchmessern der über dem mittleren Stromfaden angelegten Kreise
ergibt.
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In Fig. 4 ist erfindungsgemäß der Austrittswinkelßz = 0°, und in Fig.
5 und 6 sind. die möglichen Abweichungen des Austrittswinkels ß2 mit bis zu 10°
nach beiden Seiten dargestellt. Der Gesamtumschlingungswinkel a nach den Fig. 4,
5 und 6 liegt zwischen 115 und 145° (a = 180° - (ß, --E- ß2) > 115° < 1450).
Der der Fig. 4 entsprechende Schaufelkanal nach Fig. 7 wird von zwei Schaufeln mit
ß2 = 0° gebildet mit einem Gesamtumschlingungswinkel a > 115° < 145°.
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Dieser Schaufelkanal verengt sich, wie aus den abnehmenden Durchmessern
der über den mittleren Stromfaden angelegten Kreise entsprechend Fig. 8 ersichtlich,
und ergibt eine gute Beschleunigung, die Ablösungen mit Wirbelbildung entgegenwirkt,
erwirkt infolgedessen auf einen guten Laufradwirkungsgrad hin.
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Einer stärkeren Vorwärtskrümmung der Laufradschaufeln als bisher üblich,
und damit dem Gedanken einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades auf diesem Wege,
dürfte die Überlegung entgegengestanden haben, daß bei Austrittswinkeln von 0°,
oder darüber hinaus, die Komponente W2 des Geschwindigkeitsdreiecks am Schaufelaustritt
einen unendlichen Wert erreicht.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Versuche haben aber gezeigt,
daß diese Überlegungen nicht zutreffen, sondern daß sich durch Herabsetzung der
durch das Aufrollen der gleichmäßig rotierenden Gehäuseströmung ergebenden Gehäuseverluste
eine erhebliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erzielen läßt.
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Die Gesamtwirkungsgrade von Trommelläufern mit vorwärts gekrümmten
Schaufeln bekannter Bauart betragen maximal bei zu 55 °/o, bei einer Lieferziffer
von cp = 0,6 bis 0,8. Bei steigender Durchflußmenge, also bei extrem hoher Lieferziffer
von p = 1 bis 1,2, sinkt der Wirkungsgrad auf unter 40 bis 45 °/o. Zurückzuführen
ist das darauf, daß die mit steigender Durchflußmenge größer werdende Meridiangeschwindigkeit
czm als die eine bestimmende Komponente den Richtungswinkel y2 der absoluten Laufradströmung
vergrößert und damit ein Aufrollen der Rotationsströmung mit Gehäuseverlusten verursacht.
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Nach der Erfindung wird dem entgegengewirkt, indem die zweite bestimmende
Komponente, der Schaufelaustrittswinkel ß2, möglichst klein gehalten wird-Die Versuche
zeigten, daß nicht nur_ der Gesamtwirkungsgrad bis auf 70 °/o erhöht wird; sondern
auch, daß dabei die Lieferziffer-- von p > 1 ist. Daraus ergibt sich gegenüber-den
bekannten Radialventilatoren eine Ersparnis an Antriebsleistung von etwa 27 °/o,
bei Gegenüberstellung gleicher Lieferziffern von cp > 1 sogar von etwa 55 °/o.
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Der Fortschritt der Erfindung liegt darin, daß der Gesamtwirkungsgrad
und die Druckziffer erheblich verbessert werden und daß diese Verbesserungen besonders
bei sehr hohen Durchflußmengen auftreten. Die Drehzahl ist infolge der hohen Druckziffer
niedrig, wodurch Geräuscharmut, Betriebssicherheit und Lebensdauer günstig beeinflußt
werden. Die Herstellungskosten sind die gleichen wie die von Trommelläufern üblicher
Bauart.