EP0107024A2 - Centrifugal fan - Google Patents
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- F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
- F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/422—Discharge tongues
Definitions
- the invention relates to a radial fan according to the preamble of claim 1;
- a radial fan with only backward curved blades is known from the final report of the research project "Characteristic stability in radial fans” of the Institute of Fluid Mechanics and Fluid Machinery at the University of Düsseldorf, April 1975.
- the object of the present invention is to provide radial fans with high utilization of the construction volume, i.e. high power density, with simpler constructional measures to achieve a continuity of the characteristic curve in such a way that, even with different throttle values, the radial fan works at the higher level specified by the known hysteresis characteristic curve, regardless of the respective working range.
- power density is understood to mean the product of the dimensionless volume flow figure and the dimensionless pressure figure, as it e.g. through the publication: "Recent developments in the field of radial fans of high power density" in the magazine HLH 30, 1979, No. 11, pages 443 to 447.
- barrier wall parts are expediently designed to protrude into the interior of the spiral housing with a barrier surface curved in accordance with the flow pattern.
- A-still further improvement in a low noise emission and higher efficiency can regard to - be .dt achieved in that the free leading edges of the barrier wall are provided with bead-like roundings which are either integrally formed on the leading edges of the barrier walls or subsequently as separate components to the leading edges of the barrier walls be plugged on and held on this.
- the solution according to the invention is preferably used for impellers with backward curved blades, but also shows the desired improvement in impellers with forward or radially ending blades.
- FIG. 1 and 2 show in axial section two different designs of a barrier wall 3 and 4 arranged between the inner wall of a spiral housing 2 and the impeller 1 rotatably mounted therein in the region of the tongue 22.
- the tongue is usually the narrowest point between the spiral housing 2 which widens from this point to the outlet opening 21 and the impeller 1.
- the barrier wall 3 consists of a flat sheet metal in a structurally particularly simple manner, it has Barrier wall 4 according to FIG.
- Figures 3 to 6 each show in Merian section four different embodiments of the flat barrier wall 3 according to section AA in Figure 1, each with the difference that the space between the impeller and the outflow opening of the spiral housing completely or only partially against the re-entry of the intended to prevent air to exit from the outlet opening 21 into the spiral circuit of the spiral housing 2.
- barrier wall 3 which consists of a first barrier wall part 31, which closes the space between the outflow opening and the outer wall of the spiral housing in the region of the tongue 22, and a second, the space between the entire impeller 1 and the outer wall of the spiral housing 2 in the region of the tongue 22 closing barrier wall part 32 and a third, the gap between the shaft-side rear of the impeller 1 and the right end face of the spiral housing 1 closing barrier wall part 33.
- the individual barrier wall parts 31, 32, 33 can be designed and assembled either as separate components or as a coherent barrier wall 3. 4 differs from the embodiment according to FIG.
- shut-off represents an optimal compromise between a small amount of rotary sound in the noise spectrum and a largely avoidance of the undesirable characteristic hysteresis.
- FIG. 7 to 10 show, with reference to the sectional profiles CC in FIGS. 3 to 6 and if the spiral housing 2 is omitted, different designs of the barrier wall 3, each with bead-like roundings provided on their leading edges to avoid noise-generating air turbulence.
- 7 and 8 show such roundings 321, 331 and 322, 332, respectively, which are also added to the Barrier walls 3 are attached according to the embodiments of Fig.3 and Fig.4.
- the bead-like rounded portions 321 and 331 are integrally formed on the barrier wall design according to FIG. 3 or FIG. 4 and, in the embodiment according to FIG. 9, on a barrier wall design according to FIG. 5 or FIG. 6; 8 shows with reference to the barrier wall design according to FIG. 3 and FIG. 4 and FIG. 10 shows with reference to the barrier wall design according to FIG. 5 and FIG. 6 in each case bead-like rounded portions 322 and 332 in the form of separate, to which Leading edges of the barrier wall each attached and held on these components.
- FIG. 12 and 13 and 14 respectively show in an axial section according to the section line BB in FIG. 4 the blocking plate parts 32 and 33 in a flat, smooth-surface design without a bead-like rounding (FIG. 11), with a beaded rounding 322 or .332 (Fig. 12) and with a one-piece bulge rounding 321 or 331 (Fig. 13).
- Fig. 15 shows the characteristic curves for the total pressure figure ⁇ t , the dynamic pressure figure ⁇ d , the total efficiency at the impeller inlet ⁇ tL and the power density ( ⁇ , ⁇ t ) depending on the volumetric flow figure f in dashed curve form for a conventional, not Radial fan designed according to the invention and in the extended characteristic curve for the same conventional radial fan, but with an additional easy-to-install barrier wall, on the basis of the drawn throttle parabola DP and corresponding throttling changes in the direction of lower throttling (-) or stronger throttling (+).
- the radial fan designed according to the invention advantageously ensures that, with a consistently high power density, there are no instability points with a hysteresis characteristic curve, but rather the radial fan always works at the higher, more favorable level specified by the hysteresis, with different throttling.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Radialventilator gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1; ein derartiger Radialventilator mit ausschließlich rückwärts gekrümmten Schaufeln ist aus dem Abschlußbericht des Forschungsvorhabens "Kennlinienstabilität bei Radialventilatoren" des Instituts für Strömungslehre und Strömungsmaschinen der Universität Karlsruhe, April 1975, bekannt.The invention relates to a radial fan according to the preamble of
In vielen Anwendungsfällen sind Radialventilatoren bei stark veränderlichen Betriebsbedingungen, z.B. in der Klima- und Belüftungstechnik, im Einsatz. In jedem Arbeitspunkt muß ein einwandfreier Betrieb gewährleistet sein; dazu ist es notwendig, daß in jedem Betriebspunkt des Ventilators dem Volumenstrom V eine Druckerhöhung Δp eindeutig zugeordnet werden kann, d.h. der Ventilator muß gemäß einer stetigen Kennlinie Δ p = f (V) arbeiten können. Im einzelnen hat sich gezeigt, daß Radialventilatoren mit hoher Ausnutzung des Bauvolumens, d.h. hoher Leistungsdichte Instabilitätspunkte in den Kennlinien Δ p = f (V), P = f (V), η = f (V) derart aufweisen, daß bei abnehmender Drosselung die den Ventilator charakterisierenden Größen wie z.B. Volumenstrom, Druck und Wirkungsgrad schlagartig auf höhere Werte springen und bei wiederansteigender Drosselung erst mit einer deutlichen Hysterese-Wirkung der Drosselungsänderung folgen.In many applications, centrifugal fans are subject to strongly changing operating conditions, e.g. in air conditioning and ventilation technology, in use. Flawless operation must be guaranteed at every operating point; for this it is necessary that a pressure increase Δp can be clearly assigned to the volume flow V at each operating point of the fan, i.e. the fan must be able to work according to a constant characteristic curve Δ p = f (V). It has been shown in detail that centrifugal fans with high utilization of the construction volume, i.e. high power density have instability points in the characteristic curves Δ p = f (V), P = f (V), η = f (V) such that with decreasing throttling the variables characterizing the fan, e.g. Volume flow, pressure and efficiency suddenly jump to higher values and only follow the throttling change with a clear hysteresis effect when throttling increases again.
Das vorbeschriebene Hysterese-Verhalten ist umso uner- wünschter, als es sich in der Nähe des Auslegepunktes des Radialventilators abspielt. Die Regelungsmöglichkeiten des Systems "Ventilator-Anlage" werden dadurch stark eingeschränkt. Der Betrieb auf dem unteren Niveau der Kennlinie ist außerdem mit spezifisch starker Geräuschentwicklung verbunden; außerdem nimmt gleichzeitig mit dem plötzlichen Druckabfall der Wirkungsgrad stark ab, was den Betrieb auf dem unteren Kennlinienast der Hysterese auch noch unwirtschaftlich nacht.The above-described hysteresis behavior is all the more uner - wünschter when it takes place near the disengagement of the centrifugal fan. The control options of the "fan system" system are thereby highly limited. Operation at the lower level of the characteristic curve is also associated with specifically strong noise development; in addition, the efficiency decreases sharply with the sudden drop in pressure, which also makes operation on the lower characteristic branch of the hysteresis uneconomical.
Im bekannten Fall wird nun als wirksamstes Mittel zur Beseitigung einer Unstetigkeit in der Kennlinie von Radialventilatoren eine Verringerung der Schaufelzahl und damit eine spezielle Konstruktion des Laufrades empfohlen (S.3 des genannten Abschlußberichtes); die im bekannten Fall auf das Auftreten der instationären Ablösung: "Rotating Stall" zurückgeführte Unstetigkeit der Kennlinie kann gemäß den genannten Abschlußbericht (S.62 unten) durch Maßnahmen an der Gehäusekontur nicht verhindert werden.In the known case, a reduction in the number of blades and thus a special design of the impeller is now recommended as the most effective means of eliminating discontinuity in the characteristic curve of radial fans (p. 3 of the final report mentioned); the discontinuity of the characteristic curve, which in the known case is due to the occurrence of the transient detachment: "Rotating Stall", cannot be prevented according to the final report mentioned (page 62 below) by measures on the housing contour.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei Radialventilatoren mit hoher Ausnutzung des Bauvolumens, d.h. hoher Leistungsdichte, mit einfacheren konstruktiven Maßnahmen eine Stetigkeit der Kennlinie derart zu erreichen, daß auch bei unterschiedlichen Drosselwerten der Radialventilator unabhängig vom jeweiligen Arbeitsbereich auf dem höheren, durch die bekannte Hysterese-Kennlinie vorgegebenen Niveau arbeitet. Unter Leistungsdichte ist im vorgenannten Sinne das Produkt aus dimensionsloser Volumenstromziffer und dimensionsloser Druckziffer verstanden, wie es z.B. durch die Veröffentlichung: "Neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der Radialventilatoren hoher Leistungsdichte" in der Zeitschrift HLH 30, 1979, Nr.11, Seiten 443 bis 447 beschrieben ist.The object of the present invention is to provide radial fans with high utilization of the construction volume, i.e. high power density, with simpler constructional measures to achieve a continuity of the characteristic curve in such a way that, even with different throttle values, the radial fan works at the higher level specified by the known hysteresis characteristic curve, regardless of the respective working range. In the aforementioned sense, power density is understood to mean the product of the dimensionless volume flow figure and the dimensionless pressure figure, as it e.g. through the publication: "Recent developments in the field of radial fans of high power density" in the magazine HLH 30, 1979, No. 11, pages 443 to 447.
Ausgehend von der Erkenntnis, daß die Instabilität der Kennlinien durch eine mehrfach kreisende Strömung des Fördermediums im Spiral-Gehäuse aufgrund von Druckunterschieden und insbesondere der Schleppwirkung des rotieren- .den Laufrades verursacht werden, wird als Lösung dieser Aufgabe bei einem Radialventilator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß eine Maßnahme gemäß Kennzeichen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen; vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.Based on the knowledge that the instability of the characteristics due to a multi-circulating flow of the medium in the volute casing due to pressure differences and especially the drag effect of the rotating . The impeller are caused, as a solution to this problem, a measure according to the characterizing part of
Es hat sich gezeigt, daß durch die einfache Maßnahme der auch nachträglich ohne weitere konstruktive Änderung des Radialventilators anzubringenden Sperrwände bei unterschiedlicher Drosselung die gewünschte hohe Leistungsdichte gewährleistet werden kann. Zweckmäßigerweise werden die Sperrwandteile mit einer entsprechend dem Strömungsverlauf gekrümmten Sperrfläche in das Innere des Spiral-Gehäuses hineinragend ausgeführt. Eine-noch weitere Verbesserung hinsichtlich eines niedrigen Geräuschverhaltens sowie besseren Wirkungsgrades kann-.dadurch erreicht werden, daß die freien Anströmkanten der Sperrwand mit wulstartigen Abrundungen versehen werden, die entweder einstückig an die Anströmkanten der Sperrwände angeformt oder als getrennte Bauteile nachträglich auf die Anströmkanten der Sperrwände aufgesteckt und an dieser gehaltert werden.It has been shown that the desired high power density can be ensured by the simple measure of the barrier walls which can also be retrofitted without further design changes to the radial fan, with different throttling. The barrier wall parts are expediently designed to protrude into the interior of the spiral housing with a barrier surface curved in accordance with the flow pattern. A-still further improvement in a low noise emission and higher efficiency can regard to - be .dadurch achieved in that the free leading edges of the barrier wall are provided with bead-like roundings which are either integrally formed on the leading edges of the barrier walls or subsequently as separate components to the leading edges of the barrier walls be plugged on and held on this.
Die erfindungsgemäße Lösung wird vorzugsweise bei Laufrädern mit rückwärts gekrümmten Schaufeln eingesetzt, zeigt die erstrebte Verbesserung jedoch auch bei Laufrädern mit vorwärts oder radial endenden Schaufeln.The solution according to the invention is preferably used for impellers with backward curved blades, but also shows the desired improvement in impellers with forward or radially ending blades.
Die Erfindung wird im folgenden anhand verschiedener, schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:
- Fig.1,2 im Axialschnitt zwei verschiedene Ausführungen einer zwischen Innenwandung des Spiral-Gehäuses und Laufrad angeordneter Sperrwand;
- Fig.3 bis 6 jeweils im Merianschnitt vier verschiedene Ausführungen der Sperrwand gemäß Schnittverlauf A-A in Fig.1;
- Fig.7 bis 10 jeweils im Merianschnitt vier verschiedene Sperrwandausführungen mit unterschiedlichen Wulstabdeckungen ihrer Anströmkanten;
- Fig.11 bis 13 jeweils im Axialschnitt drei verschiedene Sperrwandansführungen;
- Fig.14 die Kennlinienverläufe der Druckziffer, total: Ψt; der Druckziffer dynamisch: Ψd; des Wirkungsgrades, total, am Laufradeingang: ηt1 sowie der Leistungsdichte:(α, Ψt) in Abhängigkeit von der Volumenstromziffer: 9.
- Figure 1.2 in axial section two different versions of a barrier wall arranged between the inner wall of the spiral housing and the impeller;
- 3 to 6 each in Merian section four different versions of the barrier wall according to section AA in Figure 1;
- 7 to 10 each in Merian section four different barrier wall designs with different bead covers of their leading edges;
- 11 to 13 in each case in axial section three different barrier wall arrangements;
- Fig. 14 the characteristic curves of the pressure figure, total: Ψ t ; the pressure digit dynamic: Ψ d ; the efficiency, total, at the impeller inlet: η t1 and the power density: (α, Ψ t ) depending on the volume flow rate: 9.
Fig.1 und 2 zeigen im Axialschnitt zwei verschiedene Ausführungen eines zwischen der Innenwandung eines Spiral-Gehäuses 2 und dem darin drehbar gelagerten Laufrad 1 im Bereich der Zunge 22 angeordneten Sperrwand 3 bzw.4. Als Zunge bezeichnet man üblicherweise die engste Stelle zwischen dem spiralförmig sich von dieser Stelle zur Austrittsöffnung 21 erweiternden Spiral-Gehäuse 2 und dem Laufrad 1. Während in Fig.1 die Sperrwand 3 in konstruktiv besonders einfacher Weise lediglich aus einem ebenen Blech besteht, weist die Sperrwand 4 gemäß Fig.2 eine entsprechend dem Strömungsverlauf gekrümmte, in das Innere des Spiral-Gehäuses 2 ragende Sperrfläche auf.1 and 2 show in axial section two different designs of a
Die Figuren 3 bis 6 zeigen jeweils im Merianschnitt vier verschiedene Ausführungsformen der ebenen Sperrwand 3 gemäß Schnittverlauf A-A in Fig.1 jeweils mit dem Unterschied, daß der Zwischenraum zwischen dem Laufrad und der Ausströmöffnung des Spiral-Gehäuses vollkommen oder nur teilweise gegen einen Wiedereintritt der an sich zum Austritt aus der Austrittsöffnung 21 bestimmten Luft in den Spiralkreislauf des Spiral-Gehäuses 2 verhindern soll.Figures 3 to 6 each show in Merian section four different embodiments of the
.Im einzelnen zeigt Fig.4 eine Sperrwand 3, die sich aus einem ersten, den Zwischenraum zwischen der Ausströn- öffnung und der Außenwandung des Spiral-Gehäuses im Bereich der Zunge 22 verschließenden Sperrwandteil 31, einem zweiten, den Zwischenraum zwischen dem gesamten Laufrad 1 und der Außenwandung des Spiral-Gehäuses 2 im Bereich der Zunge 22 abschließenden Sperrwandteil 32 und einem dritten, den Zwischenraum zwischen der wellenseitigen Rückseite des Laufrades 1 und der rechten Stirnseite des Spiral-Gehäuses 1 abschließenden Sperrwandteil 33 zusammensetzt. Die einzelnen Sperrwandteile 31,32,33 können entweder als getrennte Bauteile oder als zusammenhängende Sperrwand 3 ausgebildet und montiert sein. Fig.4 unterscheidet sich von der Ausführung gemäß Fig.3 dadurch, daß ein geringfügig vergrößerter Zwischenraum zwischen dem Laufrad 1 und der Sperrwand, insbesondere dem zweiten Sperrwandteil 32, vorgesehen ist; Fig.5 und Fig.6 zeigen noch weiter vereinfachte Sperrwände, bei denen lediglich gemäß Fig.5 das erste Sperrwandteil 31 und das dritte Sperrwandteil 33 und gemäß Fig.6 allein das erste Sperrwandteil 31 vorgesehen sind.4 shows a
Die größte Wirkung hinsichtlich der Vermeidung der Hysterese wird mit einer sehr weitgehenden Absperrung erreicht; eine demgegenüber geringere Teilabsperrung stellt einen optimaleren Kompromiß zwischen einen geringen Drehklanganteil im Geräuschspektrum und einer weitgehenden Vermeidung der unerwünschten Kennlinien-Hysterese dar.The greatest effect with regard to avoiding hysteresis is achieved with a very extensive shut-off; in contrast, a lower partial shut-off represents an optimal compromise between a small amount of rotary sound in the noise spectrum and a largely avoidance of the undesirable characteristic hysteresis.
Fig.7 bis Fig.10 zeigen, unter Bezugnahme auf die Schnittverläufe C-C in Fig.3 bis 6 und bei Weglassung des Spiral-Gehäuses 2, verschiedene Ausführungen der Sperrwand 3 mit jeweils an ihren Anströmkanten zur Vermeidung von geräuschbildenden Luftverwirbelungen vorgesehenen wulstartigen Abrundungen. Fig.7 und Fi.8 zeigen derartige Abrundungen 321,331 bzw. 322,332, die zusätzlich an den Sperrwänden 3 gemäß den Ausführungsbeispielen nach Fig.3 und Fig.4 angebracht sind. Gemäß Fig.7 sind die wulstartigen Abrundungen 321 bzw. 331 an die Sperrwandausführung gemäß Fig.3 bzw. Fig.4 und bei der Ausführung gemäß Fig.9 an eine Sperrwandausführung gemäß Fig.5 bzw. Fig.6 einstückig angeformt; Fig.8 zeigt unter Bezugnahme auf die Sperrwandausführung gemäß Fig.3 und Fig.4 bzw. Fig.10 zeigt unter Bezugnahme auf die Sperrwandausführung gemäß Fig.5 und Fig.6 jeweils Wulstartige Abrundungen 322 bzw.332 in Form von getrennten, auf die Anströmkanten der Sperrwand jeweils aufgesetzten und an diesen gehalterten Bauteilen.7 to 10 show, with reference to the sectional profiles CC in FIGS. 3 to 6 and if the
Die Fig.12 bzw.13 bzw.14 zeigen jeweils in einem Axialschnitt gemäß dem Schnittverlauf B-B in Fig.4 die Sperrblechteile 32 und 33 in ebener glattflächiger Ausführung ohne wulstartige Abrundung (Fig.11), mit als getrenntes Bauteil aufgesetzter wulstartiger Abrundung 322 bzw.332 (Fig.12) und mit einstückig angeformter wulstartiger Abrundung 321 bzw.331 (Fig.13).12 and 13 and 14 respectively show in an axial section according to the section line BB in FIG. 4 the
Fig.15 zeigt die Kennlinienverläufe für die totale Druckziffer Ψt, die dynamische Druckziffer Ψd, den totalen Wirkungsgrad am Laufradeingang ηtL sowie die Leistungsdichte (α,Ψt) in Abhängigkeit von der Volumstromziffer f jeweils in gestrichelten Kennlinienverlauf für einen herkömmlichen, nicht erfindungsgemäß ausgebildeten Radialventilator und im ausgezogenen Kennlinienverlauf für den gleichen herkömmlichen, jedoch mit zusätzlich einfach anzubringender Sperrwand ausgestatteten Radialventilator unter Zugrundelegung der eingezeichneten Drosselparabel DP und entsprechenden Drosselungsänderungen in Richtung einer geringeren Drosselung (-) bzw. einer stärkeren Drosselung (+). In den Kennlinien der totalen Druckziffer Ψt, der dynamischen Druckziffer Ψd, des Wirkungsgrades ηtL der Leistungsdichte (α, Ψt) jeweils als Funktion der Volumenstromziffer f (ϕ) sind jeweils die Hysterese-Kennlinienverläufe eingezeichnet, die sich bei einem herkömmlichen Radialventilator bei einer bestimmten Drosselminderung und anschließenden Drosselsteigerung ergeben. Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Radialventilator vorteilhafterweise gewährleistet, daß bei gleichbleibend hoher Leistungsdichte keine Instabilitätspunkte mit Hysterese-Kennlinie auftreten, sondern vielmehr der Radialventilator bei unterschiedlicher Drosselung immer auf dem durch die Hysterese vorgegebenen höheren, günstigeren Niveau arbeitet.Fig. 15 shows the characteristic curves for the total pressure figure Ψ t , the dynamic pressure figure Ψ d , the total efficiency at the impeller inlet η tL and the power density (α, Ψ t ) depending on the volumetric flow figure f in dashed curve form for a conventional, not Radial fan designed according to the invention and in the extended characteristic curve for the same conventional radial fan, but with an additional easy-to-install barrier wall, on the basis of the drawn throttle parabola DP and corresponding throttling changes in the direction of lower throttling (-) or stronger throttling (+). In the characteristics of the total pressure figure Ψ t , the dynamic pressure figure Ψ d , the efficiency η tL and the power density (α, Ψ t ) As a function of the volume flow rate f (ϕ), the hysteresis characteristic curves are shown, which result in a conventional radial fan with a certain throttle reduction and subsequent throttle increase. In contrast, the radial fan designed according to the invention advantageously ensures that, with a consistently high power density, there are no instability points with a hysteresis characteristic curve, but rather the radial fan always works at the higher, more favorable level specified by the hysteresis, with different throttling.
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