Ventilatoren: Entwurf und Betrieb der Radial-, Axial- und Querstromventilatoren

595 Pages·2003·25.894 MB·German

by  Dr.-Ing. Bruno Eck (auth.)

Klassiker der Technik
Die "Klassiker der Technik" sind unveranderte Neuaujlagen traditionsreicher
ingenieurwissenschaftlicher Werke. Wegen ihrer didaktischen Einzigartigkeit
und der Zeitlosigkeit ihrer Inhalte gehoren Sie zur Standardliteratur des Inge
nieurs, wenn sie auch die Darstellung modernster Methoden neueren Bachern
aberlassen. So erschliej3en sich die Hintergriinde vieler computergestatzter Ver
fahren dem Verstandnis nur durch das Studium des klassischen, jundamentale
ren Wissens. Oft bietet ein "Klassiker" einen Fundus an wichtigen Berechnungs
oder Konstruktionsbeispielen, die auch for viele moderne Problemstellungen
als MusterLOsungen dienen konnen.
Springer-Verlag Serlin Heidelberg GmbH
Bruno Eck
Ventilatoren
Entwurf und Betrieb der Radial-,
Axial- und Querstromventilatoren
Sechste Auflage
Mit 589 Abbildungen
Springer
Dr.-Ing. Bruno Eck t
Köln-Klettenberg
ISBN 978-3-642-62890-0
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Eck, Bruno: Ventilatoren: Entwurf und Betrieb der Radial-, Axial-und Querstromventilatoren 1
Bruno Eck. Geleitwort von Ufer. 6. Auf!. -Berlin ; Heidelberg; New York; Hongkong; London;
Mailand; Paris; Tokio: Springer, 2003
(Klassiker der Technik)
ISBN 978-3-642-62890-0 ISBN 978-3-642-55650-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-55650-0
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Softcover reprint of the hardcover 6th edition 2003
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Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10850229 68/3020hu-5432I 0-
Geleitwort zum Reprint Ventilatoren
von Bruno Eek
In nahezu allen Bereichen derTechnik finden Ventilatoren bei der For
derung von Luft und Gasen ein breites Anwendungsspektrum, das
kaum von anderen Stromungsmaschinen in dieser Vielfalt iibertroffen
wird. Diese Vielseitigkeit der Einsatzgebiete bedingt die stromungsme
chanische Aufgabe des Ventilators in engem Zusammenhang mit den
jeweiligen Prozessablaufen und seiner Einbausituation in der Gesamt
anlage, in die er einbezogen ist, zu betrachten. Dabei stellen die unter
schiedlichsten Stromungsmedien und Anwendungsgebiete sowie das
steigende Umwelt- und Qualitatsbewufitsein immer hohere Anforde
rungen und Anspriiche an die aerodynamische Auslegung und die
konstruktive Gestaltung hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und der
Zuverlassigkeit von Ventilatoren. Dies bedingt in vielen Fallen Losun
gen von Sonderproblemen, die sowohl vom Ventilatoren-Hersteller als
auch vom Anwender ein umfassendes stromungstechnisches und aku
stisches Wissen und einen guten Uberblick iiber verfahrenstechnische
Ablaufe und regeltechnische Moglichkeiten verlangen.
Neben den grundlegenden aerodynamischen Berechnungsverfahren
fiir Axial- und Radialventilatoren wurden von B. Eck eine Fiille von
Sonderproblemen behandelt und Ergebnisse aus praktischen Erfah
rungen mitgeteilt, die sowohl Entwicklungsingenieuren zur Losung
dieser speziellen Aufgaben viele Denkanstofie und wertvolle prakti
sche Hinweise in Form von experimentell ermittelten Einflufifaktoren
geben als auch den Betreihern einen raschen Einblick in die wichtig
sten aerodynamischen Gestaltungsparameter ermoglichen.
1m allgemeinen Bestreben Energie einzusparen haben die verschiede
nen Regelmoglichkeiten sowie das Zusammenwirken von mehreren
parallel oder hintereinander geschalteter Ventilatoren grofie Bedeu
tung erlangt. Die ausfiihrlichen Darstellungen von Eck zu diesem The
menkreis sind heute aktueller dennje, nachdem die Drehzahlregelung
von Asynchronmotoren mittels Frequenzumrichter ihren Einzug in
die Antriebstechnik genommen hat.
Monchengladbach, im Dezember 1990 H. Ufer
Vorwort
Auf dem Gebiet der Ventilatoren ist in jiingster Zeit ein unerwarte
ter Aufschwung eingetreten, der auf die Losung verschiedener stro
mungstechnischer Probleme zuriickzufiihren ist. Die Entwicklung war
so rasch, daB plotzlich ein Wirkungsgrad von 90% bei kleiner Bauart er
reieht wurde. Infolgedessen gewann die bis dahin stiefmiitterlich be
handelte Maschinengruppe ganz erheblich an Interesse, was auch durch
Dbersetzungen des Buches in mehrere fremde Sprachen zum Ausdruek
gekommen ist.
Es diirfte nunmehr der geeignete Zeitpunkt sein, das Gesamtgebiet
in straffer Form neu darzustellen. Ieh habe vieles umgearbeitet, man
ehes Entbehrliche gestrichen und zahlenmaBige Ergebnisse neuer Ver
suche fUr den Praktiker aufgenommen. Bei Kleinstgeblasen und Quer
stromgeblasen sind wesentliche Erweiterungen erfolgt. Die wichtigen
physikalischen GesetzmaBigkeiten wurden ausfiihrlicher gebraeht, die
bisherigen Berechnungsverfahren ergiinzt. So erga b sieh eine weit
gehende Neubearbeitung.
Mein Manuskript wurde von Prof. Dipl.-Ing. habil. M. PECORNIK
(V orstand des Lehrstuhles fUr Stromungslehre und hydraulische Ma
sehinen u. Schiffsbaufalmltat in Rijeka, Universitat Zagreb) sehr ein
gehend durehgesehen. Er hat verschiedene Umstellungen vorgenommen
und die Bezeichnungen der vielen Abbildungen systematisch nach den
neuesten Vorschriften vereinheitlicht. Dariiber hinaus verdanke ich
Prof. PECORNIK viele weitere Ratschlage und Erganzungen sowie seine
Hilfe bei der Korrektur, die er mit groBer Umsicht durchfiihrte.
Das Kapitel Sehallerzeugung und Schalldampfung wurde wieder
von den bekannten Fachleuten Oberingenieur REGENSCHEIT und Dipl.
Ing. GoEHLICH nahezu vollig neu bearbeitet, wofUr ieh ihnen besonders
danken mochte.
Der Springer-Verlag sorgte wieder fUr eine einwandfreie Herstel
lung, insbesondere der sehr zahlreichen Abbildungen. Hierfiir und fUr
die Beriicksiehtigung vieler Wiinsche mochte ich auch ihm meinen Dank
aussprechen.
Koln, im Dezember 1971 Bruno Eck
Inhaltsverzeichnis
A. Einleitnng . . . . . . . . . . . . 1
1. Allgemeine Beziehungen 1
2. .A..hnlichkeitsbeziehungen 9
2.1 Kennzahlen. . . . . 9
2.2 Optimalkurven . . . 14
2.3 Weitere Kenngrollen . 16
2.4 Grundformeln. . . . 19
2.5 Gesamtiibersicht iibet die Eigenschaften der verschiede-
nen Geblasetypen . . . .. 22
3. Verluste und Wirkungsgrade . . . 25
3.1 Hydraulischer Wirkungsgrad . 25
3.2 Volumetrischer Wirkungsgrad . 26
3.3 Innerer Wirkungsgrad . . . 26
3.4 Mechanischer Wirk]lngsgrad. 26
3.4.1 Radreibungsverluste 26
3.4.2 Lagerverluste . . . . 27
3.5 Gesamtwirkungsgrad. . . . . . . . . . . . . . . 28
3.6 Anderung des Gesamtwirkungsgrades durch den Anteil
der mechanischen Verluste bei Drehzahlanderung. . . 29
4. Thermische Bestimmung des hydraulischen Wirkungsgrades 30
B. Radialventilatoren. . . . . . . . . . . . 31
I. Allgemeine Stromfadentheorie 31
1. Allgemeine Beziehungen 31
2. Radialer Eintritt . . . . . . 34
3. Reaktionsgrad . . . . . . . 36
4. Kennlinien bei unendlicher Schaufelzahl 40
5. Grundaufgaben . . . . . . . . . . . 43
6. Einflull der Kompressibilitat auf die Giiltigkeit der Berech-
nungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
II. Genauere rechnerische Behandlung der Schaufelstrii-
mung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7. GeschwindigkeitsverteiIung im Schaufelkanal 45
8. Krafte senkrecht zur Stromungsrichtung . 46
9. Krafte in Stromungsrichtung 47
10. Relativwirbel. . . . . . . . . . . . . 48
11. Gerade Schaufeln . . . . . . . . . . . 50
12. Berechnung von Geschwindigkeits-und Druckverteilung in
einem beliebigen Schaufelkanal . . . . . • . . . . . . 51
13. Wesentliche physikalische Besonderheiten bei Durchstro
mung von Radialradern . . . . . . . . . . . . . . . 51
x
Inhaltsverzeichnis
14. Tragfliigelbeschaufelungen . . . . . . . . . . . . . . 54
15. Rein mathematische Methoden zur Berechnung der Lauf·
raddurchstromung. . . . . . . . . 55
III. Einflu13 der endlichen Schaufelzahl . 57
16. Grundsiitzliches. . . . . . . . . . 57
17. Niiherungsberechnung nach STODOLA. 59
18. Genauere rechnerische Ermittlung der 'MinderIeistung. 61
19. Beeinflussung des Reaktionsgrades. . . . 71
20. MinderIeistungen bei grOl3eren Ablosungen 71
21. Die Schaufelzahl . . . . . . 75
IV. Gestaltung der Schaufelenden. . . . 75
22. Die wirkungslose Schaufel . . . . . 75
23. Beriicksichtigung der Schaufelstiirke . 78
V. VerIuste. . . . . . 80
24. LaufradverIuste. 80
25. Sto13verluste . . 83
25.1 Laufradeintritt . 83
25.2 LeitradverIuste . 85
26. Spaltverluste . . . . 86
27. Verluste im Spiralgehiiuse 88
28. LeitkanalverIuste . . . . 89
29. Hydraulischer Wirkungsgrad 90
VI. Giinstigste Gestaltung des Laufrades 91
30. Fragestellung. . . . . . . . . . . 91
31. Giinstigster Eintrittsdurchmesser, bester Eintrittsschaufel-
winkel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91
32. Einflu13 der Eintrittskriimmung auf den Optimalwinkel . 95
33. Optimalberechnung bei Vordrall. . . 96
34. Konische oder parallele Deckscheiben 98
35. Bestimmung der Schaufelform 99
35.1 Die gerade Schaufel. . . . . . 99
35.2 Die Kreisbogenschaufel . . . . 99
35.3 Ermittlung aus dem Querschnittsverlauf . 100
35.4 Die logarithmische Spirale. . . . . . . 102
VII. Betriebseigenschaften von Radialgebliisen . 103
36. Theoretische Kennlinie als Vergleichsbasis 103
37. Berechnung der Kennlinie . . . . . 104
38. Anderung des Breitenverhiiltnisses. . 108
39. ",-VerIauf bei Radialriidern. . . . . III
VIII. Die Haupttypen von Radialgebliisen 112
40. Historischer Uberblick. . . . . 112
41. Ein neues Hochleistungsgebliise. . 113
42. Spaltdichtung mit Hilfss1(rahl. . . 120
43. Umlenkung mit zwei Hilfsstrahlen. 125
44. Die Bedeutung der Laufradeintrittsfliiche und des Eintritts
winkels PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
45. Anderung der Schaufelwinkel mit dem Durchmesserverhiilt-
nis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Inhaltsverzeichnis XI
46. Vber 1 liegende statische Umsetzungsgrade bei Radial
geblasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
47. Berechnungsgmndlagen ............... 137
48. Ubersicht iiber die Anderung markanter Eigens'chaften ('P!II;
'Ptll, Btat; WZ/w1; (Jz) mit dem Durchmesserverhaltnis . 139
49. Staubgeblase . . . . . . . . . . . . . . . . 143
50. Doppelseitig ansaugende Gebliise . . . . . . . 149
51. Gestaltung von Trommellaufern (Sirocco-Liiufer). 151
a) Laufradbreite 152
b) Schaufelform. 152
c) Schaufelzahl . 154
d) Reaktionsgrad 155
e) Eingehendere Betrachtungen. 155
f) Beschaufelung mit beschl&unigten Schaufelkanalen 158
g) Theoretische Berechnung der Schaufeldurchstromung 161
h) Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . .. 162
i) Laufraddurchstromung von Trommellaufern bei Null-
Forderung .. .- . . . . . . . . . . . . 165
k) Kleinstausfiihrungen von Trommelliiufern . . . .. 166
1) Trommelliiufer mit Platte vor dem Einlauf. . ... 16.7
IX. Zweimal durchstromte Liiufer - Querstromgeblase. 168
52. Historische Entwicklung des Querstromgebliises . . .. 168
53. Allgemeine GesetzmiiBigkeiten bei zweimal durchstromten
Radialgittern. . . . . . . . . . . . .174
54. Der Reaktionsgrad t. . . . . . . . . . 179
55. Wirbelbewegung im Innern des Laufrades 180
56. Wirbelsteuerung. . . . . . . . . 184
57. Ubersicht iiber Versuchsergebnisse. . . . 187
58. Geschwindigkeitsverteilung. . . . . . . 192
59. Querstromliifter mit einer iiuBeren Leitfliiche 193
60. Offen arbeitende Querstromliiufer . . . . . 194
61. Anwendungsbeispiele und Konstruktionsmerkmale. 197
62. Seitenkanalgebliise. 199
X. Leitvorrichtungen . 200
63. Leitschaufeln. . . 201
64. Austauschwirkung. 203
65. Spiralgehiiuse. . . 205
a) Grundsiitzliches. 205
b) Konstruktionen von Spiralen ohne Beriicksichtigung der
Reibung. . . . . . . . . . . . . . 206
66. Exakt,es Verfahren zur Gehiiuseermittlung . . . .. 217
67. Niiherungsverfahren. . . . . . . . . . . . . .. 219
68. Reibung und Sekundiirstromungen in Spiralgehausen. 220
69. Drallabnahme durch Reibung in Ringriiumen und glatten
Leitribgen . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
70. Der glatte Leitring . . . . . . . . . . . . . 224
71. Verhalten der Spirale bei Belastungsiinderungen . 227
72. Der Zungenabstand . . . . . . . . . . . . . 230
73. Radialgebliise mit filterartigen Schaufelkaniilen . 231
74. Diffusoren zur Verbesserung von Spiralgehiiusen. 232
75. Ausblasefilter. . . . . • . . . . . . . . . . 234
XII Inhaltsverzeichnis
76. Geblase mit Vorlaufer. Geblase mit umlaufendem Diffusor. 234
77. Axialdruck von Radialgeblasen . . . . . . . . . . . . 236
78. Der Ventilator als WiderBtandskorper in einem Netz. Ver-
halten bei umgekehrter Drehrichtung 239
C. Theorie und Berechnung von Axialgebliisen. . . . 239
XI. Berechnung der normalen .Axialgeblase. 239
79 . .Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . 239
80. Einfache Beziehungen der Gitterstromung 241
81. Die vier Hauptfalle eines .Axialventilators 244
82. Reaktionsgrad des bewegten Gitters. . 248
83. Berechnung nach der Tragfliigeltheorie. . 249
84. ZweckmaBigkeit einer Profilierung 254
85. Gestaltung der Profilierung bei .AxiaIgeblasen 257
86. Berechnung oh:b.e Beriicksichtigung der Fliigelreibung . 258
87. .A1Igemein giiltige Beziehungen . . . . . . . 260
88. Berechnung mit Beriicksichtigung der Reibung . .. 262
89. Der statische Umsetzungsgrad . . . . . . . . .. 263
90. Der Wirkungsgrad in .Abhangigkeit von dimensionslosen
GroBen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
91. Die GIeitzahlen von Lauf-und Leiti'ad . . . . . . . . . 267
92. Wirkungsgrad bei ~rei ausblasenden AxiaIgeblasen. . . . 267
93. Diagramme zur optimalen .Auslegung fiir aUe .AxiaIgeblase. 269
94. Minderleistung durch Grenzschichteinfliisse . 272
95. Geometrie der KreisbogenschaufeI. . . . . 273
96. Die giinstigste Schaufelteilung nach ZWEIFEL 276
97. Gitterberechnung nach WEINIG 279
98. Aufwinkelung bei Profilierung. 281
99. Grenzschichtverhalten 282
100. Rotierende .Ablosung. . . . . 283
101. Wirbelkernbildung. . . . . . 283
102. Druckriickgewinn aus der Drallstromung beim .Ausstromen
in den freien Raum . . . . . . . . . . . . 285
103. EinfluB des Laufradspaltes. . . . . . . . . . . . . . 286
104. Berechnung und Konstruktion der Leitrader. . . . . . . 288
105. Vergleich zwischen.Ausfiihrungen mit Vorleitrad und Nach
Ieitrad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
106. Grenzdimensionierung mit den Bedingungen des Innen
durchmessers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
107. VorleitschaufeI mit konstantem .Austrittswinkel (Zylindri-
sche SchaufeI). . . . . . . . . . . . . . 296
108. Radiale Druckverteilung von .AxiaIgeblasen . 299
109. Diffusorverluste. . . . . . . . . . . ; . 300
a) .Allgemeine Beziehungen. . . . . . . . 301
b) .Anteil der Diffusorverluste am Gesamtverlust. 302
c) EinfluB des Nabenabflusses bei gIeicher Kanalweite 302
110. Gestaltung der Diffusoren . . . . . . . . . . .. 304
111. Wann lohnt sich die .Anwendung eines Leitapparates? 307
112. .Auslegung von mehrstufigen .AxiaIgeblasen . . . . .. 308
113. Praktische .Ausfiihrung der Bcrechnung. tThersicht iiber den
Rechnungsgang. . . 309
114. Berechnungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . 310