Ventilatoren: Entwurf und Betrieb der Radial-, Axial- und Querstromventilatoren PDF
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Ventilatoren Ventilatoren Entwurf und Betrieb der Radial-, Axial und Querstromventilatoren Von Bruno Eck Dr.-Ing. Vierte verbesserte und erweiterte Auflage Mit 598 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1962 Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen Copyright 1937 and 1952 by Springer-Verlag OHG, BerIin/Göttingen/Heidelberg © by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1957 and 1962 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag, OHG., BerlinJGöttingenJHeidelberg 1962 Softcover reprint oftbe hardcover 4th edition 1962 ISBN 978-3-662-30212-5 ISBN 978-3-662-30211-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-30211-8 Die Wiedergabe von Gehrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften Vorwort zur vierten Auflage Die anhaltende Aufwärtsentwicklung im Ventilatorenbau machte eine vollkommene Neubearbeitung und Erweiterung der schnell vergriffenen dritten Auflage notwendig. Seit dem Bekanntwerden des Hochleistungs gebläses (1952) mit einem Wirkungsgrad von 90% erlebte der Ventilatorenbau einen unerwarteten Aufschwung, der zu einer Umstel lung dieses Industriezweiges führte und noch nicht abgeschlossen ist. Bei den Hochleistungsgebläsen dürften die letzten Verbesserungen die Grenze des Möglichen erreicht haben. Neu sind Typen, die bei einem Wirkungsgrad von über 80% die gleiche Schluckfähigkeit wie Axial gebläse erreichen bei erstaunlich kleinen Abmessungen. Beachtlich ist die neuere Entwicklung der Trommelläufergebläse, die infolge ihrer Ge räuscharmut und kleinen Abmessungen bestimmte Anwendungsgebiete beherrschen. Neue Anwendungsgebiete von Querstromventilatoren wur den bekannt. Es gelang, die Theorie und Ausführungen dieser eigen artigen V entilat oren einigermaßen zu klären. Die neue Gesamteingliederung aller Ventilatortypen in ein einheitliches Kennzahlgebiet ist beachtlich. Fortschritte auf dem Ge biet der Regulierung wurden sowohl bei Radial wie bei Axialventilatoren erreicht. Nach wie vor bleibt als Sorgenkind die äußerst schwierige Anpassung des Ventilators an gegebene Betriebsverhältnisse. Eine große Anzahl von Ventilatoren ist falsch ausgelegt. Eine eingehende Beschäftigung mit dieser schwierigen Aufgabe ist unerläßlich, da sonst die hohen Wir kungsgrade der neuen Ventilatoren nicht ausgenutzt werden. Inzwischen werden die Anforderungen an die Geräuscharmut von Ventilatoren und der anschließenden Anlagen immer höher. Bei be stimmten Anwendungen sind diese Forderungen wichtiger als der Wunsch nach hohen Wirkungsgraden. So war es nötig, den Stoff durch eine Behandlung dieser akustischen Fragen abzurunden. Die HerrenB. REGEN SCHEIT u. E. GOEHLICH haben es in dankenswerter Weise übernommen, den Stand der Technik auf diesem Neuland darzulegen. Herr Baurat Dip!. Ing. NIERMEYER, Berlin, unterzog die Neuauflage einer genal.1,ßn Durchsicht, wofür ihm bestens gedankt sei. Der Springer-Verlag verdient Anerkennung für die Ausstattung, insbesondere des sehr umfangreichen neuen Abbildungsmateriales. Köln, im Juli 1961 Bruno Eck VI Aus dem Vorwort zur dritten und zweiten Auflage Aus dem Vorwort zur dritten Auflage Die Neubearbeitung der schnell vergriffenen zweiten Auflage konnte erst jetzt besorgt werden. In der Zwischenzeit ergaben sich weitere bemerkenswerte Fortschritte in der Entwicklung der Ventilatoren. Die Aufwärtsentwicklung der Radialgebläse hat dazu geführt, daß diese nun mehr den ihnen gebührenden Platz wieder voll einnehmen. Sie stehen in ihrer Güte noch über den Axialgebläsen. Beachtenswerte Fortschritte wurden bei der Regulierung erreicht. Auf dem Gebiete der Axialgebläse sind neue Entwicklungen im Bereiche der meridianbeschleunigten Bau art zu verzeichnen. Hoffnungsvoll ist auch die Entwicklung des Quer stromge bläses. Das heute bereits Erreichte kann dadurch charakterisiert werden, daß die Ventilatoren, die vor wenigen Jahren noch zu den schlechtesten Strömungsmaschinen gehörten, inzwischen zu den besten Vertretern dieser Maschinengruppe aufgerückt sind. Die in verhältnismäßig kurzer Zeit erfolgte Hochzüchtung von neuen Ventilatoren brachte es nun mit sich, daß besondere Probleme, die früher mehr oder weniger vernachlässigt werden konnten, in den Vordergrund traten. Um die Vorteile der neuen Ventilatoren voll und ganz auszu nutzen, muß die Anpassung an die Betriebsbedingungen genauer vorge nommen werden als früher. Es zeigt sich aber, daß hier ein Problem vorliegt, welches unerhörte praktische Schwierigkeiten bereitet. Daneben spielen Meßmethoden, Antriebsfragen, Regelfragen, die Auswahl der Antriebsmaschine eine viel größere Rolle als früher. Eine besondere Be handlung dieser Fragen war somit nicht zuvermeiden. Es ist einfach unmöglich, dem Abnehmer eines Ventilators alle diese Fragen unbeant wortet zu lassen, zumal hier eine Reihe ungelöster Aufgaben vorliegt. Köln, im September 1956 Bruno Eck Aus dem Vorwort zur zweiten Auflage Angesichts der stürmischen Entwicklung, in der sich der Ventilatoren bau befindet, erwies sich eine eingehende Neubearbeitung und Erweite rung der ersten Auflage als notwendig. Die in den letzten Jahren erzielten Verbesserungen des Wirkungs grades von Ventilatoren sind bemerkenswert, ebenso die Tlttsache, daß das Radialgebläse den Vorsprung, den das Axialgebläse infolge einsei tiger Hochzüchtung lange behaupten konnte, schnell einzuholen scheint. Sind doch schon kleine Radial-Niederdruck-Ventilatoren vorhanden, die bei einer Antriebsleistung von nur 2 kW einen Gesamtwirkungsgrad Aus dem Vorwort zur zweiten Auflage VII von 89% aufweisen. Bedenkt man, daß in Deutschland weit über 1 Mill. kW an Gebläseleistungen installiert sind, so kann man ermessen, welche Bedeutung der Wirkungsgradverbesserung zukommt. Zu lange ist der Ventilator als ein Stiefkind der Technik behandelt worden und hat sich meist nur dann einer öffentlichen, wissenschaftlichen Förderung erfreut, wenn militärische Anwendungen in Aussicht standen (z. B. Aufladegebläse, U.Bootgebläse, Axialgebläse usw.). Unter diesen Umständen wurde die Hauptentwicklungsarbeit von wenigen Firmen getragen, die teilweise unter größten Aufwendungen und Opfern eigene Forschungsarbeiten durchführten und hierdurch zu einer gewissen Zu rückhaltung in ihren Verlautbarungen gezwungen waren, ein Umstand, der die Berichterstattung erschwert und den Verfasser zu einer stärkeren Betonung eigener Arbeiten nötigte. Neben dem Streben nach höchsten Wirkungsgraden darf bei der Beurteilung des Ventilatorenbaues das sehr große Anwendungsgebiet der Belüftung von Gebäuden, Schiffen usw. nicht außer acht gelassen werden. Hier gilt das absolute Primat, Ventilatoren mit kleinster Geräuschbildung herzustellen, was leider nicht immer mit Höchstwirkungsgraden ver einbar ist. So kommt es, daß sich vieh~ Bauarten mit schlechtem Wirkungs grad sehr zähe halten und einen sehr realen technischen Zweck erfüllen. Daneben sind viele Anwendungsgebiete, z. B. der Apparatebau vorhanden, wo der kleinste Platzbedarf, die günstigste Einbaumöglichkeit usw. ent scheidend sind. Auch diese Aufgaben lassen sich nicht immer mit Höchst wirkungsgraden lösen. Es wurden aber häufig bemerkenwerte Verbesse rungen erzielt. Bauarten mit hoher Druckziffer behaupten hier souverän das Feld. Welche Möglichkeiten hier zur Verfügung stehen, erhellt aus der Tatsache, daß z. B. die Druckziffern von extremen Querstrom gebläsen etwa 60mal größer sind als diejenigen von extremen Axialläufern. Köln, im Februar 1952 Bruno Eck Inhaltsverzeichnis Seite A. Radialgebläse . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. Elementare Stromfadentheorie. 1 1. Allgemeine Beziehungen 1 2. Radialer Eintritt . . . . . 8 3. Reaktionsgrad . . . . . . 10 Der Gesamtreaktionsgrad 12 4. Kennlinien bei unendlicher Schaufelzahl 13 5. Grundaufgaben . . . . . . . . . . . 17 6. Einfluß der Kompressibilität auf die Gültigkeit der Berech- nungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18 Ir. Genauere rechnerische Behandlung der Schaufelströ- mung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 7. Geschwindigkeitsverteilung im Schaufelkanal . 19 8. Kräfte senkrecht zur Strömungsrichtung . 20 9. Kräfte in Strömungsrichtung . 21 10. Relativwirbel. . . . . . . . . . . . . 23 ll. Gerade Schaufeln. . . . . . . . . . . 24 12. Schaufelkanal gleicher Geschwindigkeitsverteilung . 24 13. Schaufelkanal gleichen Querschnittsdruckes . . . . 25 14. Berechnung von Geschwindigkeits-und Druckverteilung in einem beliebigen Schaufelkanal . . . 26 IH. Einfluß der endlichen Schaufelzahl . 26 15. Grundsätzliches. . . . . . . . . . 26 16. Graphische Ermittlung der Minderleistung. 28 17. Näherungsberechnung nach STODOLA. . . . 30 18. Genauere rechnerische Ermittlung der Minderleistung 32 Minderleistung bei Gebläsen mit hohen Wirkungsgraden. 35 19. Beeinflussung des Reaktionsgrades . . . . . . . . 37 20. Betrachtung über die wirkliche Schaufelströmung . 38 21. Die Schaufelzahl . . . . . . 46 IV. Gestaltung der Schaufelenden 47 22. Die wirkungslose Schaufel . . 47 23. Berücksichtigung der Schaufelstärke . 49 V. Ähnlichkeitsbeziehungen . 50 24. Kennzahlen . . . . 50 25. Optimalkurven . . . 56 26. Weitere Kenngrößen 57 27. Grundformein. . . . 61 28. Gesamtübersicht über die Eigenschaften der verschiedenen Gebläsetypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Inhaltsverzeichnis IX Seite VI. Verluste ...... . 66 29. Radreibungverluste 67 30. Laufradverluste . . 70 31. Stoßverluste . . . 73 a) Laufradeintritt . 73 b) Leitradverluste . 74 32. Spaltverluste . . 75 33. Leitkanalverluste 78 34. Lagerverluste . . 79 35. Wirkungsgrade . 79 a) Der hydraulische Wirkungsgrad 79 b) Volumetrischer Wirkungsgrad 79 c) Mechanischer Wirkungsgrad. . 80 d) Gesamtwirkungsgrad . . . . . 80 e) Änderung des Gesamtwirkungsgrades durch den Anteil der mechanischen Verluste bei Drehzahländerung . . . 81 36. Thermische Bestimmung des hydraulischen Wirkungsgra- des . . . . . . . . . . . . . . . . 82 VII. Günstigste Gestaltung des Laufrades 83 37. Fragestellung. . . . . . . . . . . . 83 38. Günstigste Eintrittsbreite b1 . . . • . 84 39. Günstigster Eintrittsdurchmesser, bester Eintrittschaufel- winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86 40. Einfluß der Eintrittskrümmung auf den Optimalwinkel . 89 41. Optimalberechnung bei Vordrall. . . 90 42. Konische oder parallele Deckscheiben 92 43. Bestimmung der Schaufelform 93 a) Die gerade Schaufel. . . . . . . 93 b) Die Kreisbogenschaufel . . . . . 93 c) Ermittlung aus dem Querschnittsverlauf . 94 d) Graphische Ermittlung der Schaufelform 95 VIII. Betrie bseigenschaften von Radialge bl äsen 100 44. Theoretische Kennlinie als Vergleichsbasis . 100 45. Einfluß der endlichen Schaufelzahl auf die Kennlinie. 101 46. Beeinflussung der Kennlinie durch die Reibung . 101 a) Reibung im Schaufelkanal . . . 101 b) Stoßverluste . . . . . . . . . 102 47. Änderung des Breitenverhältnisses 104 Spaltdruckkennlinie . . . . . . 106 48. Besondere Betrachtung bei kleinen Fördermengen. 107 49. 1J!-Verlauf bei Radialrädern . . . . . . 108 IX. Die Haupttypen von Radialgebläsen HO 50. Hochleistungsgebläse . . . . . . . . HO 51. Über 1 liegende statische Umsetzungsgrade bei Radial- gebläsen . . . . . . . . 119 52. Staubgebläse . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 53. Doppelseitig ansaugende Gebläse . . . . . . . . 127 54. Gestaltung von Trommelläufern (SIROCCo-Läufer) . 129 a) Laufradbreite 129 b) Schaufelform. . . . . . . . . . . . . . . . 130 x Inhaltsverzeichnis Seite c) Schaufelzahl . . . . . . . . 132 d) Reaktionsgrad . . . . . . . 132 e) Eingehendere Betrachtungen. 133 f) Beschaufelung mit beschleunigten Schaufelkanälen 135 g) Versuchswerte von Trommelläufern. . . . . .. 139 55. Radialrad mit Axialvorläufern . . . . . . . . .. 141 X. Zweimal durchströmte Läufer, Querstromgebläse 144 56. Historische Entwicklung des Querstromgebläses . .. 144 57. Allgemeine Gesetzmäßigkeiten bei zweimal durchströmten Radialgittern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 a) Der Reaktionsgrad w • . . . . . . . . • . . . . . 151 b) Wahl des Durchmesserverhältnisses und des Schaufel- winkels . . . . . . . . . . . . . . . . 151 58. Die Wirbelbewegung in Inneren des Laufrades. 152 59. Wirbelsteuerung . . . . . . . . . . . . . 155 Die Radströmung bei der Förderung Null. . 159 60. Gestaltung des Diffusors von Querstromgebläsen . 159 61. Theoretische und tatsächliche Kennlinie . . . . 161 62. Kennlinien, Wirkungsgrade, Aufwertung, Anwendungs- beispiele . . . . . . . . . 162 a) Anwendungsbeispiele . . . . . . . 164 b) Querstromtrommelläufer. . . . . . 167 63. Die Durchströmung von freien Läufern. 168 64. Das Schwingschaufelrad 170 XI. Leitvorrichtungen 172 65. Leitschaufeln. . . 173 66. Austauschwirkung . 175 67. Spiralgehäuse . . . 176 a) Grundsätzliches 176 b) Konstruktion von Spiralen ohne Berücksichtigung der Reibung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 a) Parallele Seitenwände S. 178. - ß) Parallele Seiten y) wände, die breiter als das Laufrad sind S. 179. - Ko nische Seitenwände S.180. - 15) Rechteckige Quer schnitte S. 181. - s) Kreisförmiger Querschnitt S. 182. -~) Innenspirale S. 183. - 'fJ) Axiale Spirale S. 185. - f}) Schneckenspirale S. 185. - L) Spiralgehäuse für Axialgebläse S. 186. - ,,) Schneckenförmige Ausbildung von Spiralgehäusen S. 186. - Ä) Unterteilte Spiralge häuse S. 187. - {L) Spiralgehäuse mit verstellbarer Zun- ge S. 188. - v) Spiralgehäuse mit mehreren Abführun· gen S. 189.-';) Graphische Verfahren S. 192. c) Exaktes Verfahren ................ 192 d) Näherungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 194 68. Einfluß der Reibung in Spiralen auf den Gesamtenergie- umsatz ....................... 195 69. Drallabnahme durch Reibung in Ringräumen und glatten Leitringen . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 70. Verhalten der Spirale bei Belastungsänderungen . . 201 71. Der Zungenabstand . . . . . . . . . . . . . . 203 72. Radialkraft und Druckverteilung im Spiralgehäuse . 204
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