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Kennliniencharakteristik von Diagonalventilatoren mit modifizierter Meridiankontur
Treder, Anne
Die Durchströmungsrichtung im Laufrad klassifiziert Ventilatoren in die axiale, diagonale und radiale Bauform. Axial- und Radialventilatoren sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Formen auf dem Markt vertreten. Für große Volumenströme sind Axialventilatoren bevorzugt einzusetzen, Radialventilatoren sind hingegen für große erforderliche Druckerhöhungen geeignet. Wenn die Anforderungen an den Ventilator große Druckerhöhungen, bei verhältnismäßig großen Volumenströmen sind, liegt der empfohlene Auslegungspunkt nach dem Cordier Diagramm zwischen Axial- und Radialventilatoren, im Bereich der Diagonalventilatoren.
Allerdings ist die Bauform des Diagonalventilators noch immer eine Seltenheit. Während der intensiven Literaturrecherche zu Ventilatoren und im Besonderen zu der Thematik der Diagonalventilatoren, fiel auf, dass sowohl in der deutschsprachigen als auch in der internationalen Literatur, wenige Veröffentlichungen und so gut wie keine Empfehlungen für die Auslegungsmethodik von Diagonalventilatoren zur Verfügung stehen.
Ein geeignetes Anwendungsgebiet dieser Bauform ist die Kühlung von elektrischen Bauteilen und Motoren. Die Ventilatoren sind direkt auf der Motorwelle innerhalb des Gehäuses installiert und transportieren, beim Überströmen der Bauteiloberfläche, die entstandene Motorwärme ab. Wesentliche Anforderungen an den Auslegungspunkt dieser Ventilatoren sind große Durchflussmengen, mit den damit verbundenen hohen Strömungsgeschwindigkeiten für eine ausreichende Kühlleistung. Der Luftstrom durch die Motoren, mit vielen Umlenkungen und insbesondere durch den schmalen Spalt zwischen Stator und Rotor, bedingt erhöhte Druckverluste. Somit sind die Anforderungen an einen Kühlventilator, hohe Volumenströme bei vergleichsweise großen Druckerhöhungen.
Aufgrund der Strömungsumlenkung von axialer in radiale Richtung, bei relativ breiten Schaufelkanälen, ist im Diagonalventilator die Gefahr einer Deckscheibenablösung relativ groß und konnte an der untersuchten Meridiankontur detektiert werden. Um die Ablösung zu vermeiden, wurde die Geometrie der Trag- und Deckscheibe mit vergrößerten Deckscheibenradien von R130 und R180 angepasst. Die Untersuchungen zeigten, dass eine zu scharfe Strömungsumlenkung, mit einem Deckscheibenradius R80, eine Strömungsablösung bewirkt, während ein vergrößerter Radius von R180 zu erhöhten Reibungsverlusten und verringerten Wirkungsraden führt.
Weiterhin wurde der Einfluss verschiedener Abströmwinkel χ auf den Volumenstrom Q, die Druckerhöhung Δp und den Wirkungsgrad η experimentell untersucht. Die Variation des Abströmwinkels zu kleinen χ = 30° (fast axial), verringerte die Volumenströme bei reduzierten Druckerhöhungen und Wirkungsgraden. Im Vergleich zu Axialventilatoren erreicht der Diagonalventilator größere Druckerhöhungen und kann über weite Bereiche der Kennlinie ohne Sattelpunkt (Wendepunkt in der Kennliniencharakteristik) betrieben werden.
The direction of the airflow through the impeller, from inlet to outlet, classifies fans into axial, radial and mixed flow fan types. Axial and centrifugal fans are represented in a wide variety of different shapes on the market. For large flow rates axial fans are a good choice, centrifugal fans on the other hand are suitable for large pressure increases. If the design point requires large flow rates with a sufficiently large increase in pressure, the recommended design point is within the range between the axial and radial fan type, in the area of mixed flow fans. However, mixed flow fans are still a rarity. Only a few recommendations can be found in the literature for the design of mixed flow fans and therefore also no empirical coefficients for the diagonal design are available.
A special field of application for mixed flow fans is the cooling of motors and electrical components. Motor cooling fans are installed directly on the motor shaft inside the housing and ensure the removal of the heat, yielded by engine components, into the passing air flow. Major demands for the design point of these fans are large flow rates with the associated high flow velocities for sufficient cooling capacity. The airflow through the engines, especially through the narrow gap between the stator and rotor, causes high pressure losses. Thus, the requirements for the cooling fans are high flow rates with comparatively high pressure increases.
Similar to centrifugal fans, there also is a flow deflection from axial to radial direction in mixed flow fans. The risk of flow separation at the shroud is increased because of the relatively wide blade channels. In order to improve the flow deflection and to prevent the shroud separation, different shroud contours with an increased radius of R130 and R180 have been investigated.
The investigations revealed that a too sharp flow deflection with wide blade channels, such as in R80, cause flow separation at the shroud, while a smooth radius of R180 results in increased friction losses and deteriorated efficiencies.
Furthermore, the impact of various downstream angles χ = 30° (almost axially) to χ = 90° (centrifugal) has been evaluated for the volume flow and the pressure increase. Changing the downstream angle to smaller χ decreased the flow rates with smaller pressure rises. Compared to axial fans, the mixed flow fan type already achieves higher pressure rises in a single stage and operates without a stalling dip. Mixed flow fans can be easily integrated in fluid systems with axially parallel inlet and outlet flow, as well as axial fans and therefore represent a serious alternative in the application field between axial and radial fans.
