EP0377847A1

EP0377847A1 - High-pressure fan

Info

Publication number: EP0377847A1
Application number: EP89123080A
Authority: EP
Inventors: Reinhold Hopfensperger; Rudolf Tungl
Original assignee: Alcatel SEL AG; Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1988-12-19
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1990-07-18
Also published as: DE3842697A1

Abstract

High-pressure fans, particularly those for gas heating appliances, should create little noise, have a steep pressure-volume flow curve and be capable of construction in compact form. In the case of radial fans with cylindrical rotors the requirements for low noise and compact construction are mutually exclusive. A fan is proposed having such blade duct cross sections that the flowing medium, for example air or an air-gas mixture, is drawn in axially, accelerated radially and expelled axially. For improved utilisation of the kinetic energy a baffle device or a reversed diagonal wheel or a combination of baffle device and reserved diagonal wheel is post-connected to the fan wheel. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochdruck-Gebläse, insbesondere ein Gebläse für Gasheizgeräte. Die Zu- und Abfuhr von Verbrennungsluft bei Gasheizgeräten erfordert Gebläse, die einen hohen Förderdruck erbringen und eine steile Druck-Volumenstrom-Kennlinie haben, da hohe Gerätewiderstände infolge von Umlenkungen, Kanalverengungen und anderen, dem Luftstrom entgegenstehenden Hindernissen zu überwinden sind.The invention relates to a high-pressure blower, in particular a blower for gas heaters. The supply and removal of combustion air in gas heaters requires fans that have a high delivery pressure and a steep pressure-volume flow characteristic, since high device resistances due to deflections, channel narrowing and other obstacles to the air flow must be overcome.

Fig. 9 zeigt Druck-Volumenstrom-Kennlinien verschiedener Lüfter. Kurve 1 gehört zu einem Axiallüfter, Kurve 2 zu einem Querstromlüfter, Kurve 3 zu einem Radiallüfter und Kurve 4 zu einem Gebläse gemäß der Erfindung. Mit 5 ist eine Anlagenkennlinie bezeichnet.Fig. 9 shows pressure-volume flow characteristics of various fans. Curve 1 belongs to an axial fan, curve 2 to a cross-flow fan, curve 3 to a radial fan and curve 4 to a blower according to the invention. 5 is a system characteristic curve.

Erwünscht ist eine Druck-Volumenstrom-Kennlinie, bei der größere Druckveränderungen, bedingt z.B. durch Änderungen in der Anlage, mit kleinen Volumenstromänderungen verbunden sind. Die Kurven 1 und 2 genügen dieser Bedingung nicht, wohl aber die Kurven 3 und 4.A pressure-volume flow characteristic is desired, in which larger pressure changes, for example due to changes in the system, with small ones Volume flow changes are connected. Curves 1 and 2 do not meet this condition, but curves 3 and 4 do.

Radiallüfter mit Trommelläufern erfüllen die obengenannten Forderungen und werden sowohl auf der kalten Seite zum Einblasen eines Gas-Luftgemisches als auch auf der warmen Seite zum Absaugen des Abgases eingesetzt. Die erforderlichen hohen Förderdrücke in Verbindung mit der steilen Druck-Volumenstrom-Kennlinie werden dabei entweder
- durch schmale Räder mit großem Raddurchmesser und schmalem Gehäuse,
- oder durch kompakte, vor allem in den radialen Abmessungen gedrungenen Radiallüfterrädern mit Gehäuse erreicht und entsprechend hoher Drehzahl.Radial fans with drum rotors meet the above requirements and are used both on the cold side for blowing in a gas-air mixture and on the warm side for extracting the exhaust gas. The required high delivery pressures in connection with the steep pressure-volume flow characteristic are either
- due to narrow wheels with a large wheel diameter and narrow housing,
- Or achieved by compact, compact radial radial impellers with a housing and a correspondingly high speed.

Die derzeit benutzten Gebläse haben eine Reihe von Nachteilen. So haben beispielsweise Trommelläufer, das sind Radiallüfter mit vorwärts gekrümmten Schaufeln, bei gleicher Baugröße einen schlechteren Wirkungsgrad als Radiallüfter mit rükwärts gekrümmten Schaufeln. Sie werden jedoch in allen Anwendungsfällen, bei denen es auf hohe Förderdrücke ankommt, benutzt. Druck und Luftleistung der obengenannten Gebläse reagieren empfindlich auf kleinste Änderungen der Gehäuseabmessungen. Bei der Herstellung der Gehäuse sind daher nur enge Fertigungstoleranzen zugelassen, was vor allem für kompakte Bauformen einen zusätzlichen Kostenaufwand bedeutet. Einer Verkleinerung der Gebläse sind bei vorgegebenem Förderdruck und vorgegebenem Volumenstrom auch durch die verfügbaren preisgünstigen Antriebsmotoren (zweipolige Asynchronmaschine, Spaltpol- oder Kondensatormotor) Grenzen gesetzt, die Drehzahlen bis maximal 2800 - 2900 Min⁻¹ zulassen.The blowers currently used have a number of disadvantages. For example, drum rotors, which are radial fans with forward-curved blades, have a lower efficiency than radial fans with rear-curved blades with the same size. However, they are used in all applications in which high delivery pressures are important. The pressure and air output of the above blowers are sensitive to the smallest changes in the housing dimensions. Therefore, only tight manufacturing tolerances are permitted in the manufacture of the housings, which means an additional cost, especially for compact designs. With a given delivery pressure and a given volume flow, the blowers can also be reduced in size by the available inexpensive drive motors (two-pole asynchronous machine, Shaded-pole or capacitor motor) set limits that allow speeds up to a maximum of 2800 - 2900 min⁻¹.

Im Handel sind darüberhinaus andere, geräuscharme Gebläse mit gutem Wirkungsgrad erhältlich, die aber nicht die erforderlichen Förderdrücke erbringen, wie sie beispielsweise von Radiallüftern mit Trommelläufer erreicht werden. Mit solchen Gebläsen lassen sich die Förderdrücke nur dann erreichen, wenn man ihre radialen Abmessungen vergrößert oder aber die Drehzahl erhöht. Die erste Maßnahme widerspricht der Forderung nach einem kompakten Gebläse, die zweite der nach einem leisen Gebläse. Der abgestrahlte Schalldruckpegel nimmt etwa mit der 5. Potenz zur Drehzahl zu.In addition, other low-noise fans with good efficiency are available on the market, but they do not provide the required delivery pressures, such as those achieved by radial fans with drum rotors. With such fans, the delivery pressures can only be achieved if their radial dimensions are increased or the speed is increased. The first measure contradicts the requirement for a compact fan, the second one for a quiet fan. The radiated sound pressure level increases with the 5th power to the speed.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gebläse oder ein Lüfterrad zu finden, das bei kompakter Bauweise und geringer Geräuschabstrahlung hohe Förderdrücke erzeugt, eine steile Druck-Volumenstrom-Kennlinie hat und die Nachteile des Trommelläufers vermeidet. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hochdruckgebläse mit der Merkmalskombination des Hauptanspruches. Die Unteransprüche enthalten Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.The object of the invention is therefore to find a blower or a fan wheel which generates high delivery pressures with a compact design and low noise emission, has a steep pressure-volume flow characteristic and avoids the disadvantages of the drum rotor. This task is solved by a high pressure blower with the combination of features of the main claim. The subclaims contain refinements and developments of the invention.

Das erfindungsgemäße Gebläse verbindet in vorteilhafter Weise die Vorzüge des Radiallüfters mit Trommelläufer mit den Vorzügen axialer Lüfter. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden beschrieben und anhand der Figuren 1 bis 8 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Lüfterrad gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Frontansicht des Lüfterrades nach Fig. 1 mit Beispielen für die Schaufelform,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Lüfterrades,
Fig. 4 ein Lüfterrad mit nachgeschaltetem, umgekehrt durchströmtem Diagonal- oder Halbaxialrad,
Fig. 5 ein Lüfterrad mit nachgeschalteter, feststehender Leitvorrichtung (Leitrad),
Fig. 6 ein Lüfterrad mit anschließendem Leitrad und nachgeschaltetem, umgekehrt durchströmtem Diagonal- oder Halbaxialrad,
Fig. 7 ein Lüfterrad mit nachgeschaltetem Diagonal- oder Halbaxialrad und anschließendem Leitrad,
Fig. 8 eine schemtische Darstellung der Schaufelform des Ausführungsbeispieles nach Fig. 6,
Fig. 9 Druck-Volumenstrom-Kennlinien verschiedener Lüfter.

The blower according to the invention advantageously combines the advantages of the radial fan with drum rotor with the advantages of axial fans. Exemplary embodiments of the invention are described below and explained in more detail with reference to FIGS. 1 to 8. Show it:

1 shows a section through a fan wheel according to the invention,
2 is a front view of the fan wheel of FIG. 1 with examples of the blade shape,
3 shows a second embodiment of the fan wheel,
4 a fan wheel with a downstream, reversely flowed diagonal or semi-axial wheel,
5 shows a fan wheel with a downstream, stationary guide device (guide wheel),
6 shows a fan wheel with a subsequent stator wheel and a downstream, reversely flowed diagonal or semi-axial wheel,
7 is a fan wheel with a downstream diagonal or semi-axial wheel and subsequent guide wheel,
8 is a schematic representation of the blade shape of the embodiment of FIG. 6,
Fig. 9 pressure-volume flow characteristics of various fans.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Lüfterrad gemäß der Erfindung. Mit 10 ist eine Tragglocke, mit 11 ein Deckel bezeichnet. Die Tragglocke 10 ist auf einem mit 12 bezeichneten Antriebsmotor befestigt. Mit 13 ist ein in das Lüfterrad hineinströmendes Medium, mit 14 ein aus dem Lüfterrad herausströmendes Medium bezeichnet. Bei den Gasströmen kann es sich um Luft, um Luft-Gasgemische oder um Abgas handeln, je nachdem, ob das Lüfterrad auf der kalten Seite einer Gasheizung oder auf der warmen Seite eingesetzt wird. Mit 15 ist ein Gehäuse bezeichnet, das der Weiterleitung des Gasstromes zur Gasheizung oder der Ableitung der Abgase dient. Mit 16 ist ein erster Bereich, mit 17 ein zweiter Bereich und mit 18 ein dritter Bereich des Lüfterrades bezeichnet. Mit 19 und 20 sind Schaufeln des Lüfterrades gekennzeichnet. Die Schaufelkanalquerschnitte des Lüfterrades sind im Bereich 16 groß, verengen sich im Bereich 17 und weiten sich im Bereich 18 wieder auf. Der Bereich 16 dient dem axialen Ansaugen des strömenden Mediums (13) und erteilt dem strömenden Medium eine Beschleunigung in überwiegend radialer Richtung. Durch die Verengung der Schaufelkanalquerschnitte im Bereich 17 wird das strömende Medium in radialer Richtung weiter beschleunigt, erfährt aber gleichzeitig auch eine Beschleunigung in axialer Richtung. Im Bereich 18 weiten sich die Schaufelkanalquerschnitte diffusorartig auf, was zu einer Umwandlung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie führt. Gleichzeitig wird das strömende Medium vollständig in axialer Richtung umgelenkt, wobei auch noch weiter Energie von den Schaufeln auf das Medium übertragen wird. Das Lüfterrad in der gezeigten Form stellt somit eine Mischung zwischen Radial-Diagonal- und Axialrad dar. Durch die oben beschriebene Wahl der Schaufelkanalquerschnitte in den verschiedenen Bereichen des Lüfterrades lassen sich die für Gasheizungen geforderten hohen Gegendrücke ohne zusätzliches Gehäuse erreichen.Fig. 1 shows a section through a fan wheel according to the invention. 10 with a support bell, 11 with a lid. The support bell 10 is attached to a drive motor designated 12. 13 denotes a medium flowing into the fan wheel, 14 denotes a medium flowing out of the fan wheel. The gas streams can be air, air-gas mixtures or exhaust gas, depending on whether the fan wheel is used on the cold side of a gas heater or on the warm side. At 15 is a housing referred to, which is used to forward the gas flow for gas heating or to discharge the exhaust gases. 16 denotes a first region, 17 a second region and 18 a third region of the fan wheel. With 19 and 20 blades of the fan wheel are marked. The blade channel cross sections of the fan wheel are large in area 16, narrow in area 17 and widen again in area 18. The area 16 serves for the axial suction of the flowing medium (13) and gives the flowing medium an acceleration in the predominantly radial direction. Due to the narrowing of the blade channel cross sections in the region 17, the flowing medium is accelerated further in the radial direction, but at the same time also experiences an acceleration in the axial direction. In area 18, the vane channel cross sections expand like a diffuser, which leads to a conversion of speed energy into pressure energy. At the same time, the flowing medium is deflected completely in the axial direction, with energy still being transferred from the blades to the medium. The fan wheel in the form shown thus represents a mixture between radial-diagonal and axial wheel. The above-described choice of the blade duct cross-sections in the different areas of the fan wheel enables the high back pressures required for gas heating to be achieved without an additional housing.

Fig. 2 zeigt eine Frontansicht des Lüfterrades nach Fig. 1 mit Beispielen für die Wahl der Schaufelform. Hier und im folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in Fig. 1. Auf der Tragglocke 10 sind zwei Arten von Schaufeln dargestellt, rückwärts gekrümmte Schaufeln 21 und vorwärts gekrümmte Schaufeln 22. Mit 23 ist ein Winkel bezeichnet, dessen einer Schenkel in Richtung der relativen Austrittsgeschwindigkeit, dessen zweiter Schenkel in Richtung der Umfangsgeschwindigkeit liegt.FIG. 2 shows a front view of the fan wheel according to FIG. 1 with examples for the choice of the blade shape. Here and below, the same reference numerals designate the same elements as in FIG. 1. Two types of blades are shown on the support bell 10, backward-curved blades 21 and forward-curved blades 22. With 23 is an angle designated, one leg in the direction of the relative exit speed, the second leg in the direction of the peripheral speed.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Lüfterrades gemäß der Erfindung. Deckel und Tragglocke sind in diesem Ausführungsbeispiel anders geformt als in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.Fig. 3 shows a second embodiment of the fan wheel according to the invention. In this exemplary embodiment, the cover and support bell are shaped differently than in the exemplary embodiment according to FIG. 1.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem dem bereits bekannten Lüfterrad ein umgekehrt durchströmtes Diagonalrad- oder Halbaxialrad 40 nachgeschaltet ist. Im folgenden wird der Einfachheit halber immer von einem "Diagonalrad" die Rede sein. Die Luft tritt an den mit 41 bezeichneten Stellen aus dem Diagonalrad aus. Da sich die Schaufelkanäle diffusorartig erweitern, wird auch hier kinetische Energie des strömenden Mediums in statische Druckenergie umgewandelt. Außerdem bewirkt das nachgeschaltete Diagonalrad eine verbesserte Geschwindigkeitsverteilung über den kreisförmigen Luftaustritt. Lüfterrad und Diagonalrad können ganzstückig ausgeführt sein, gesondert angefertigt und mechanisch verbunden werden, oder gesondert angefertigt und auf dem sich drehenden Motor oder auf die Motorwelle geschoben sein. Welche der drei genannten Möglichkeiten verwendet wird, hängt von den Fertigungsmöglichkeiten sowie vom benutzten Werkstoff ab. Als Antriebsmotor 12 kann je nach Konstruktion ein Innenläufer oder ein Motor mit rotierender Außenglocke verwendet werden. In den dargestellten Ausführungsbeispielen wird stets ein Motor mit rotierender Außenglocke verwendet.Fig. 4 shows an embodiment in which the already known fan wheel is followed by a reverse flow diagonal or semi-axial wheel 40. In the following, we will always speak of a "diagonal wheel" for the sake of simplicity. The air emerges from the diagonal wheel at the points marked 41. Since the vane channels expand like a diffuser, kinetic energy of the flowing medium is converted into static pressure energy. In addition, the downstream diagonal wheel causes an improved speed distribution over the circular air outlet. Fan wheel and diagonal wheel can be made in one piece, made separately and mechanically connected, or made separately and pushed onto the rotating motor or onto the motor shaft. Which of the three options mentioned is used depends on the manufacturing options and the material used. Depending on the construction, an inner rotor or a motor with a rotating outer bell can be used as the drive motor 12. In the illustrated embodiments, a motor with a rotating outer bell is always used.

Eine Druckerhöhung läßt sich nicht nur mit Hilfe rotierender Diagonalräder, wie in Fig. 4 dargestellt, erreichen, sondern auch durch das Nachschalten einer feststehenden Leitvorrichtung. In Fig. 5 ist mit 50 eine Leitvorrichtung bezeichnet, die dem vom Antriebsmotor 12 angetriebenen Lüfterrad nachgeschaltet ist. Mit 51 sind Schaufelkanäle der Leitvorrichtung bezeichnet, die sich konisch erweitern. Durch die konische Erweiterung der Schaufelkanäle wird kinetische Strömungsenergie des strömenden Mediums in statische Druckenergie umgewandelt. Die Leitvorrichtung kann so ausgeführt sein, daß sich ihr Innendurchmesser über die gesamte Bautiefe in Strömungsrichtung nicht ändert (parallel zur Achsrichtung) oder aber verringert (diffusorartige Ausbildung des Schaufelkanales).A pressure increase can be achieved not only with the help of rotating diagonal wheels, as shown in FIG. 4, but also by adding a fixed guide device. In Fig. 5, 50 denotes a guide device which is connected downstream of the fan wheel driven by the drive motor 12. With 51 vane channels of the guide device are designated, which expand conically. The conical expansion of the blade channels converts the kinetic flow energy of the flowing medium into static pressure energy. The guide device can be designed in such a way that its inside diameter does not change over the entire construction depth in the direction of flow (parallel to the axial direction) or is reduced (diffuser-like design of the blade channel).

Falls die Druckerhöhung, die sich durch das Nachschalten einer Leitvorrichtung oder durch das Nachschalten eines Diagonalrades erreichen läßt, nicht genügen, so können dem Lüfterrad auch beide Elemente nachgeschaltet werden. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 wiedergegeben. Auf das Lüfterrad mit der Tragglocke 10 und dem Deckel 11 folgt die feststehende Leitvorrichtung 50 mit ihren Schaufelkanälen 51. An die Leitvorrichtung 50 schließt ein mitlaufendes Diagonalrad 40 an, aus dessen Schaufelkanälen 41 das strömende Medium ausströmt. Die in Fig. 6 dargestellte Reihenfolge von Leitvorrichtung und Diagonalrad ist jedoch nicht zwingend und kann vertauscht werden, wie in Fig. 7 dargestellt.If the pressure increase, which can be achieved by connecting a control device or by connecting a diagonal wheel, is not sufficient, both elements can also be connected downstream of the fan wheel. Such an embodiment is shown in FIG. 6. The fixed guide device 50 with its blade channels 51 follows the fan wheel with the support bell 10 and the cover 11. A guiding diagonal wheel 40 connects to the guide device 50, from whose blade channels 41 the flowing medium flows out. However, the sequence of guide device and diagonal wheel shown in FIG. 6 is not mandatory and can be interchanged, as shown in FIG. 7.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Schaufelform des Ausführungsbeispieles nach Fig. 6. Links im Bild sind die mit 20 bezeichneten Schaufeln des Lüfterrades zu sehen, die das axial angesaugte Medium 13 führen und beschleunigen. Dem Lüfterrad ist die Leitvorrichtung 50 nachgeschaltet. Die benutzte Schaufelform ist hier mit 52 bezeichnet. Auf die Leitvorrichtung 50 folgt ein Diagonalrad 40. Dessen Schaufelform ist mit 42 bezeichnet. Aus Bild 8 wird deutlich, daß das strömende Medium axial angesaugt, radial beschleunigt und zum Schluß axial abgeblasen wird.FIG. 8 shows a schematic illustration of the blade shape of the exemplary embodiment according to FIG. 6. On the left in the picture, the blades of the blade 20 are shown Fan wheel to see that guide and accelerate the axially sucked medium 13. The guiding device 50 is connected downstream of the fan wheel. The blade shape used is designated here by 52. A diagonal wheel 40 follows the guide device 50. The shape of its blade is designated by 42. From Figure 8 it is clear that the flowing medium is sucked in axially, accelerated radially and finally blown off axially.

Eine weitere Drucksteigerung des Gebläses kann dadurch erzielt werden, daß dem Lüfterrad mehrere Leitvorrichtungen und Diagonalräder nachgeschaltet werden. Auf die Darstellung einer solchen Lösung wird jedoch hier verzichtet, da sie dem mit Lüftern und Gebläsen befaßten Fachmann geläufig sind.A further increase in pressure of the blower can be achieved in that several guide devices and diagonal wheels are connected downstream of the fan wheel. However, such a solution is not shown here, since they are familiar to the person skilled in the art with fans and blowers.

Claims

1. High-pressure blower, in particular for gas heaters, consisting of a housing and a fan wheel carrying blades, characterized in that it sucks in a flowing medium axially, accelerates it radially and blows it off axially.

2. High-pressure blower according to claim 1, characterized by first blade channel cross sections in the intake area, second blade channel cross sections in the acceleration area and third blade channel cross sections in the outlet area of the fan wheel.

3. High-pressure blower according to claim 2, characterized in that the first blade channel cross-sections serve mainly a radial, the second blade channel cross-sections of a semi-axial and the third blade channel cross-sections of an axial acceleration of the flowing medium.

4. High-pressure fan according to claim 3, characterized in that a fixed guide device (guide wheel) is connected downstream of the fan wheel.

5. High-pressure fan according to claim 3, characterized in that the fan wheel is followed by a diagonal or semi-axial wheel with reverse flow.

6. High-pressure fan according to claim 5, characterized in that the fan wheel and the downstream diagonal or semi-axial wheel is made in one piece.

7. High-pressure blower according to claim 3 to 5, characterized in that there is either a fixed guide device (stator) between the fan wheel and the downstream diagonal or semi-axial wheel or behind the fan wheel and the downstream diagonal or semi-axial wheel.

8. High-pressure fan according to claim 4 and 7, characterized in that the downstream guide device (stator) has a diffuser-like extension in the direction of flow.