DE2551614C2

DE2551614C2 - Axial kurzer Axialventilator

Info

Publication number: DE2551614C2
Application number: DE2551614A
Authority: DE
Inventors: Georg Papst; Volker Dipl.-Ing. 7742 St Georgen Schlicker; Günter 7730 Villingen Wrobel
Original assignee: Papst Motoren & Co Kg 7742 St Georgen GmbH; Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1974-11-18
Filing date: 1975-11-18
Publication date: 1987-11-12
Also published as: CH611983A5; DE2551614A1; GB1534884A; FR2291384A1; DE2551615C2; JPS51102204A; US4221546A; DE7536543U; DE2551615A1; FR2291384B1; GB1534885A

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialveniilator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Ventilator ist aus der US-PS 24 26 838 bekannt. Bei solchen sogenannten Venturilüfcrn trachtet man danach, das optimale Strömungsverhalten des sich verringernden und kontinuierlich nach Art eines Vcnturikanals erweiternden (ichäuscqucrschniits zu nutzen. Man nimmt dabei die an sich nachicil gc Tatsache in Kauf, daß das Laufrad einen gegenüber einem vorgegebenen Einbauvolumen relativ kleinen Durchmesser aufweist. Für viele Anwendungsfalle macht jedoch die venturikanalartige Gehäusestruktur diesen Nachteil wetL

Solchen gattungsgemäßen Ventilatoren, insbesondere wenn sie als Kleinstventilatoren ausgestaltet, z. B. zur Belüftung elektrischer oder elektronischer Geräteeinheiten dienen und eine quaderförmige Gestalt mit einer ίο Kantenlänge von einigen Zentimetern aufweisen, haftet der Nachteil an, daß die theoretische Optimierung und die Praxis auseinanderklaffen. Jedenfalls besitzt ein gattungsgemäßer Ventilator dieser Größe eine mehr oder weniger ausgeprägte Einsenkung der Kennlinie im mitti^ri leren Betriebsbereich.

Andererseits sind Ventilatoren, auch Kleinventilatorcn. bekannt (siehe Firmendruckschrift der Anmelderin PL 374, Typ 2000), bei denen ein zylindrischer Strömungskanal das Ventilatorgehäuse so durchsetzt, daß der Durchmesser des Laufrades praktisch mit der Abmessung des Gehäusequaders übereinstimmt. Dabei nützt man vor allem diesen Umstand des größtmöglichen Laufraddurchmessers aus. Bei solchen Ventilatoren ist es aus diesem vorbekannten Ventilator als Vorteil bekannt, diesen zylindrischen Kanalquerschnitt in die Gehäuseecken hinein zu erweitern, insbesondere durch schräge Eckwände, die sich vom Durchtrittskanab.yliüdcr zu den Gehäuseecken hin erstrecken.

Demgegenüber handelt es sich bei der vorliegenden jo Erfindung um einen Ventilator mit einem Venturikanal, bei dem durch diese an sich bekannten Maßnahmen eine weitere Verbesserung des Strömungsverhaltens erreicht werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei i-i einem Ventilator der eingangs genannten Art im tatsächlichen Arbeitsbereich, also weniger bei frei blasendem Betrieb oder bei Maximaldruck, die Kennlinie zu verbessern, d. h. insbesondere die Einsenkung derselben /ti beseitigen und in ihrem mittleren Bereich eine 4« Druckerhöhung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst.

Das ist insofern überraschend, als man eine Störung des Vcnturikanals für sehr nachteilig ansah, so daß man nicht erwarten konnte, daß die Anwendung der Kennzeichen-gemäßen Maßnahme bei einem gattungsgemäßen Lüfter /u einer Verbesserung führt, wie dies aber bei den hier vorliegenden Verhältnissen der Fall ist.

Die Unteransprüche betreffen weitere Ausgestaltun-M gen und Verbesserungen des Erfindungsgegenstandes.

Nach der Erfindung erweitert sich der Kreisquerschnitt des Diffusorteils auf der Austrittseite in die Konturecken hinein, so daß sich der Strömungsdurchtrittsqucrschnilt etwa an die Gehäusekontur anpaßt. Die die v> Erweiterung bildenden schrägen Eckwände, welche genau in Richtung auf eine Gehäusekonturecke zu unter ihrer maximalen Schrägung (zur Rotationsachse) verlaufen, und also austrittseitige Querschnittserweiterungen im Diffusorteil über dessen regulären Kreisquer-Wi schnitt hinaus sind, schmiegen sich von den Konturckkcn aus (im allgemeinen Fall möglichst stetig) an den hohlkegclsttimpfförmigen Diffusorteil und an die Kon-Uir des Gehäuses in der Ebene Ci, — '/■■ B. an die Quadratseiten, d.h. auch /u den jeweiligen Mittelpunkten h^ri jeder Quadraiscitc hin — an (vcrgl. gestrichelte Linie .V in I i g. 1.2 und 5).

Diese radialen Erweiterungen des Diffusorkanais in die Ecken des Gehäuses hinein verlaufen /weckmäßi-

gcrwcisc erst auf dem in Slrömungsrichiung letzten Teil (/_ B. dem letzten Viertel) der axialen Gehäuseerstrekkung.

Der Grad der Ausformung dieser Eckenerweiterung bestimmt wohl auch das Maß der Verbesserung der Kennlinie des Ventilators.

Bei der erwähnten erfindungsgemäßen, gestrichelt gezeichneten Ausführungsvariantc ist der Diffusor ausblasseitig trotzdem in den Konturseitcnmiueln, und zwar axial möglichst bis zur Austrittsebene E.\ ungestört also unverändert erhalten (d. h. auch dort noch vom gleichen konstanten Erweiterungswinkel), während von jeder Konturseitenmitte aus jeweils in beide Umfangsrichtungen (und zwar vorzugsweise monoton) die zunehmende Erweiterung in die je zwei benachbarten Eckbereiche hinein geschieht.

Die Zeichnungen zeigen ein wirtschaftlich vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit weiteren voneühaften Einzelheiten und deuten auch die bisher erläuterte Ausführungsmöglichkeil an. Sie zeigen in

Fig. 1 den Schnitt gemäß Linie l-l in Fig.3 im doppelten Maßstab,

Fig.2 einen Teil des Schnitts gemäß U-Il in Fig.3, ebenfalls in doppelter Größe,

Fig.3 das Ausführungsbeispiel mit quadratischer Gehäusekontur in axialer Draufsicht auf der Eintrittsseite, in natürlicher Größe mit einer Seitenlänge des Quadrats von etwa 120 mm (vgl. Pfeil 111 in F i g. 4),

F i g. 4 den Ventilator von F i g. 3 in Richtung des Pfeiles IV, mit einer axialen Länge von etwa 40 mm,

F i g. 5 das Gehäuse des Ventilator der F i g. 3, 4 auf der Austrittsseite (Pfeil V in F i g. 4) in Draufsicht,

F i g. 6 Seitenansicht und Schnitte des rechten oberen und linken unteren Quadranten der F i g. 5 gemäß Pfeilen Vl der F i g. 5.

F i g. 7 die Teilansicht Ndes Gehäuses gemäß F i g. 5.

Im einzelnen zeigt vor allem F i g. I in Verbindung mit den Fig.3 und 5 eine konkrete Ausführung eines mit den Ecken 10 und den Wandleilen 17 (bzw. 18). 14, 11 sowie den Stegen 4 und der daran befestigten zentralen Flanschplatte in an sich bekannter Weise einstückig gegossenen Ventilatorgehäuse 1. Dieses weist eine quadratische Kontur mit Ecken 10 auf. weiche im Bereich der Eintrittsebene Ei- und im Bereich der Austrittsebene Ea Befestigungslöcher 9 besitzen. Am Zentralflansch ist der Innenstator 101 und damit der in ihm gelagerte Außenrotor 102 mit Schaufeln 3 gehaltert. Die Gehäusewandflächen 11, 14, 17, 21 des venturiarligin Durchströmkanals umgeben ein Laufrad mit Schaufeln 3, dessen axiale Länge L zu seinem Durchmesser D sich etwa wie ¹A) verhält.

Die ausgeprägte Abrundung 13 der umlaufenden Eintritts»kante« erstreckt sich bis zum kleinsten Durchtrittsquerschnitt (D_mi„)am Punkt 13, von wo aus — unter praktisch monotonem Anschluß des Strömungsquerschnitts — ein Diffusorteil 14 mit wesentlich konstantem Erweiterungswinkel ε die Strömung begrenzt. Dieser hohlkegelstumpfförmige Diffusorteil 14 liegt bei der quadratischen Gehäusekontur so im Gehäuse, daß das Gehäusequadrat in der Austrittsebene Ea den größten Kreisquerschnitt (Durchmesser Da) dieses Kegels etwas umschreibt (tangential anlaufend umgibt). In den Quadratseitenmitten der Austrittsebene (im Bereich der Punkte T) sollte im allgemeinen Fall aber noch eine bei Serienfertigung herstellbare, dünne Gehäusewand 5 ausreichender Festigkeit vorhanden sein.

Der Radius R der /wischen dem in der Eintriitsebene liegenden Punkt 12 u^rid dem Punkt 13 liegenden Abrundung 11 der umlaufenden F.inlritts»kante« beträgt etwa 'I₁ und hat sein Zentrum 0 von der Eintrittsebene Ei 0,4 ± 0,05 - /. axial entfernt, wodurch der Minimaldurchmesser D„„„ (vgl. Punkt 13) des Kanals 0,45 ± 0,1 - L von der Eintrittsebene Ei entfernt liegt. Die IViffusorwand 14 erweitert sich vom minimalen Kreisquerschnitt mit dem Durchmesser D beim Punkt 13 an bei tangentialem Übergang daselbst mit konstantem Erweiterungswinkel ε von 22". Die Diffusorlänge,

ίο die der Distanz zwischen dem Kreisquerschnitt beim Punkt 13 und der Austrittsebene E_A beträgt 0,55 L und gewährleistet bei einem derart axial kurzen Ventilator (axiale Gesamtlänge L — 38 mm) trotzdem noch eine relativ gute Strömungsausbildung, nicht nur im ungestörten Diffusorbereich zwischen den Schnittebenen bei den Punkten 13 und 15. welcher axial etwa '/j Länge hat. sondern auch darüber hinaus in den Eckenerweiterungsbereich zwischen der Ebene in Punkt 15 und der Austriitscbene E.\ hinein. (Der Abstand zwischen Punkt 15 und der Austrittsebene E.\ beträgt 0.2 bis 0.25 L) Die Wand 17 des Erweiterungsraunies 16 hat in die Quadratecken 10 hinein einen konstanten Schrägungswinkel »/zur Rotationsachse 100. Er beträgt hier ca. 40°.

Eine in den F i g. 1, 2 und 5 durch ausgezogene Strichführung der Zeichnungen dargestellte Hauptausführung des Kanals hat in diesem Endbereich zwischen den Ebenen durch Punkt 15 und Ea zwar auch im Bereich der Quadratseitenmitten (Punkte T) in der Austrittsebene Ea keinen konstanten Erweiterungswinkel ε, paßt sich dort aber an diesen (siehe Linie 19 in Fi g. 2) an. Sie erlaubt jedoch eine besonders rationelle Herstellung des Spritzgußwerkzeugs für ein derartig ausgeführtes Gehäuse. Das Charakteristische dabei ist, daß die Erweiterung 16 in die Konturecken 10 hinein rotations-

J5 symmetrisch zur Achse 100 verläuft, in diesem Fall Segment einer zur Achse 100 koaxialen Kegelstumpfhohlform von der IJmlaufkuntc //(Punkt 15) an ist. dessen Mantelfläche unter einem konstanten Schrägungswinkel // (hier ca. 40") zur Achse 100 steht, welcher vom Gehäuscquadrai beschnitten wird.

Wenn man eine solche werkzeugtechnisch einfachere, wirtschaftlichere rotaiionssymmetrische Aüsformung der Eckenerweiterung will, ist ein konstanter lirweiterungswinkel e der Diffusorwand im Bereich der Quadratseitenniitien (T in Ελ) nich: mehr möglich. Der Werkzeugkern kann dann jedoch durch Drehen hergestellt werden.

Will man jedoch die erfindungsgemäße Anwendung der Eckenerweiterung bei einem Venturilüfter anwenden und gleichzeitig im Bereich der Quadratseitenmitten eine quasi ungestörte Diffusorwand (wie durch die gestrichelt bzw. gepunktet gezeichnete Ausführung(svarianie)der Linien S, bzw. 19(Fig. 1,2,5)dargestellt), dann muß der Werkzeugkern (aufwendig) kopiergefräst werden, denn er kann nicht rotationssymmetrisch sein.

Im Haupt-Ausführungsbeispiel ist ein Kompromiß gewählt, wie F i g. 2 zeigt:
Die in den Quadratseitenmitten (Mitte einer Seite der

W) Kontur) quasi ungestörte Diffusorwand 19 ist durch einen Verlauf der Wand gemäß Linien 17' und 21 noch etwa angenähert.

Wenn man bei derartigen axial kurzen Axiulvenlilatorcn einen konstanten Schrägungswinkcl ·// wählt, liegt

f>5 dieser zweckmäßig zwischen 30 und 70". wobei der Unterschied /.wischen //und dem halben Erweiterungswinkel '/> nicht so groß werden darf. ¹I₁ ändert sich zweckmäßig von 5° nach 15", wenn die axiale Länge eines

erfindungsgemäßen Ventilators von L = 50 nach 25 mm abnimmt. Im vorliegenden Falle ist die radiale Erhebung Fder Schaufel etwa gleich ihrer axialen Länge A. Wird Ελ kleiner, wird die Distanz 15 — E,\ größer.

F i g. 5 zeigt das Gehäuse 1 in axialer Draufsicht aus- *; trittseitig. Man sieht, daß die zuvor erwähnte (gestrichelt angedeutete) Ausführungsvariante eine stärkere Ausformung der Eckenerweiterung bedeutet, welche nicht mehr rotationssymmetrisch zur Achse 100 ist. Dies ist durch gestrichelte Linien S im rechten unteren Qua- κι dranten angedeutet. In diesem Falle ändert sich der Schrägungswinkcl ·;; über dem Umfang, zweckmäßig symmetrisch zur Schnittlinie durch eine Ecke und hat dort seinen größten Wert //„,.„.

Dies ist unabhängig davon, ob die nach Schnitt l-l in r> Fig.5 verlaufende Linie S der Wand 18 bzw. 18⁺ der Erweiterung 17 in Fig. 1 geradlinig (punktierte Linie S⁴) oder gekrümmt (gestrichelte Linie .^verläuft. Ist sie geradlinig, kann die Wandfläche 18' hohlkegelig oder zylindrisch, muß aber trotzdem nicht rotationssymmetrisch zur Achse 100 sein. Bei der gekrümmten Linie Sin Fig. 1 kann man natürlich nicht von einem maximalen Schrägungswinkel der Wand 18 in der Ebene des Schnittes I-l sprechen, wie im Falle einer hohlkegeligen oder zylindrischen Erweiterungswand 18 ⁺ . 2^r>

Die durch die Eckenerweiterung erzielte Verbesserung der Kennlinie des Ventilators wird mit stärkerer Ausformung der Eckencrweitcrung und mit größerer Ausfüllung der Hüllfläche H, besonders in der Nähe des Punktes T größer. Effektiv wirkt sich eine gute Anpas- jo sung der Hüllfläche der Schaufeln 3 an den Diffusortcil 19 oder seine Ersatzfläche 21 + 17' im Austrittsbcreich aus(Fig. 2).

F i g. 5 zeigt im Sektor Q auf der Eckensymmetrielinie gestrichelt eine radiale gerade Wand 50, die bis an die js Hüllfläche H der rotierenden Schaufeln 3 heranragt. (Sie teilt den Eckenerweiterungsraum.) Ihr Profil entspricht also entweder den Linien 17' + 21 oder 19 in Fig. 2 und verstärkt die Drallrückgcwinnung. Eine Anpassung der Form gemäß gekrümmter Wand (gestrichelte Linie 51) wie bei einer Pclton-Turbinenschaufel dürfte strömungs- und geräuschmäßig von Vorteil sein, ebenso eine entsprechend zur Annäherung an die Krümmung schräggcstellte Schaufel 51'. Zusätzlich vorteilhaft wirkt sich eine Neigung der Schaufel 50 oder 4^r> 51 aus. besonders bei zur Rotationsebene steiler, radial äußerer Schaufelkante, wobei die Oberkante von 50 oder 51 (in der Ebene E\) in Drehrichtung versetzt wird. Bei Neigung dieser Schaufeln in Drehrichtung wird der axial hinterschnittene Raum hinter einer solchen Leitschaufel zur Werkzeugvcreinlachung ausgegossen.

Die sogseitig oder druckseitig gegebene Vicleckkontur rührt in vielen Fällen von einem dort das Rohrstück in Umfangsrichtung abschließenden Einbauflansch. dessen äußerste Ecken über den Strömungskanal hinausragen und Befestigungselemente, z. B. Bohrungen, aufweisen können.

Die besonders für axial kurze Axialventilatoren vorteilhafte erfindungsgemäße Kombination: Vcnturikanal und Eckenerweiterungen erhöht den Druck im Arbeits- w) bereich der Kennlinie um 20—30%.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

es

Claims

Patentansprüche:

1. Axial kurzer Axialventilator, dessen in axialer Draufsicht symmetrisches Gehäuse das Schaufelrad mit punktsymmetrischer, insbesondere quadratischer Kontur konzentrisch umgibt, wobei der Durchtrittsquerschnitt des Gehäuses sich nach Art eines Venturikanals ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchtrittsquerschnitl sich im Ausströmbereich — in Strömungsrichtung gesehen — radial in die Konturecken (16,17,18) dos Gehäuses hineinerwehert.

2. Axialventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandflächen (17) der Eckenerweiterung (16) rotationssymmetrisch zur Hauptachse (100) sind.

3. Axialventilator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Wandflächen der Eckenerweiterungsräume, diese umfangsrnäßig unterteilend, radiale Wandelemente, vorzugsweise gekrümmt, bis in die Nähe der Umhüllenden (H) der rotierenden Schaufeln ragen.

4. Axialventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Erweiterungsräume (16) mit ihrer Wand (17) jeweils in die Quadratecken (10) des Gehäuses hinein einen Schrägungswinkel (//) zur Rotationsachse (100) bilden.

5. Axialventilator nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägungswinkcl (>/) konstant ist und vorzugsweise etwa 40° beträgt.

6. Axialventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei quadratischer Gehäusekontur im Bereich der Quadratscitenmitten der Erweiterungswinkel (f) wenigstens angenähert erhalten bleibt.

7. Axialventilaior nach einem der Ansprüche I. 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägungswinkel (sy) 30° bis 70° beträgt.

8. Axialventilaior nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Verkürzung der Gehäusclänge L von 50 mm auf 25 mm der Erweilerungswinkel (*■) sich von 10° auf 30° erhöht.

9. Axialventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der mittlere, in einer (durch die Rotationsachse (100) gehenden) Schniitcbene nicht konstante Schrägungswinkel (*/) in Rotationsrichtung: über den Umfang symmetrisch zur Schnittebene durch eine Ecke (10) des Gehäuses jeweils verändert.

10. Axialventilator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Schrägungswinkel (//) in der Schnittebene, die durch die Rotationsachse (100) und durch die Ecke (10) geht, maximal ist.