EP3308030B1 - Strömungsleitgitter zur anordnung an einem ventilator - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Strömungsleitgitter zur Anordnung auf der Saugseite eines Ventilators, mit einer Gitterstegstruktur, die in Umfangsrichtung beabstandete Radialstege und in radialer Richtung beabstandete koaxiale Umfangsstege umfasst.
• Aus dem Stand, beispielsweise der Patenanmeldung EP 2 778 432 A1 , sind gattungsbildende Strömungsleitgitter bekannt.
• Aufgrund ständiger Fortentwicklung werden Ventilatoren im Betrieb immer leiser. Das Geräuschniveau ist mittlerweile derart gering, dass Drehtöne deutlicher hervortreten. Drehtöne sind schmalbandige, tonale Schallanteile, die auch als Propellergeräusch bezeichnet werden. Die Drehtöne treten insbesondere bei einer asymmetrischen Ansaugsituation auf, die beispielsweise bei unterschiedlich nahen Gerätewänden auf der Saugseite vorliegt. Dann können sich starke Luftwirbel bilden, die sich an den engsten Stellen zu den sogenannten Wirbelzöpfen verbinden und unmittelbar auf die rotierenden Laufradschaufeln treffen.
• Die bekannten Strömungsleitgitter weisen eine Gitterstruktur mit gerade radial auswärts verlaufenden Radialstegen und konstant geneigten Umfangsstegen auf. Dieser Aufbau ist in bestimmten Einbausituationen hinsichtlich der entstehenden Drehtöne nicht optimal.
• Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Strömungsleitgitter bereit zu stellen, das Drehtöne bei Ventilatoren reduziert, deren Luftzuströmung insbesondere aus radialer Richtung erfolgt.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß wird ein Strömungsleitgitter zur Anordnung auf der Saugseite eines Ventilators mit einer Gitterstegstruktur vorgeschlagen, die in Umfangsrichtung beabstandete Radialstege und in radialer Richtung beabstandete koaxiale Umfangsstege umfasst. Die Radialstege mindestens eines Quadranten des Strömungsleitgitters sind dabei jeweils über ihre Radialerstreckung gesehen in Umfangsrichtung zu einer vorbestimmten, sich von einer Mittelachse des Strömungsleitgitters erstreckenden Radialebene hin gekrümmt.
• Die Radialebene, zu der sich die Radialstege in Umfangsrichtung hin krümmen, wird dabei derart ausgerichtet bzw. montiert, dass sie in eine Hauptzuströmrichtung der angesaugten Luft weist. Sie wird deshalb erfindungsgemäß als eine einen ersten Quadranten begrenzende Nullgrad-Radialebene definiert.
• Die Krümmung der Radialstege und insbesondere ihr jeweils gekrümmtes radiales Ende bieten eine die Strömung verändernde Anströmsituation, die Drehtöne des nachgeschalteten Ventilators reduziert. Die Zuströmung ist durch die spezielle Geometrie über den Umfang gesehen nicht konstant und nicht auf den Achsmittelpunkt des Strömungsleitgitters gerichtet.
• In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Radialstege zweier benachbarter Quadranten des Strömungsleitgitters jeweils über ihre Radialerstreckung gesehen in Umfangsrichtung zu der vorbestimmten Radialebene hin gekrümmt sind. Insbesondere handelt es sich um die beiden benachbarten Quadranten des Strömungsleitgitters, die in die Hauptzuströmrichtung der angesaugten Luft weisen.
• In einer weiter vorteilhaften Ausführungsvariante sind die Radialstege aller vier Quadranten des Strömungsleitgitters jeweils über ihre Radialerstreckung gesehen in Umfangsrichtung zu der vorbestimmten Radialebene hin gekrümmt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es einbaubedingt nur eine radiale Hauptzuströmrichtung gibt, die dann so festgelegt wird, dass sie entlang der Erstreckung der Nullgrad-Radialebene verläuft.
• Die Radialstege krümmen sich in Umfangsrichtung bogenförmig, wobei der Krümmungswinkel über ihre Radialerstreckung variabel ist. Vorzugsweise ist die Krümmung der Radialstege in einem zur Mittelachse des Strömungsleitgitters nahen Bereich geringer als in ihrem jeweiligen radialen Ende.
• An ihrem jeweils radialen Enden bestimmen die Radialstege einen Winkel a, der gebildet wird aus einer sich jeweils von einer Mittelachse des Strömungsleitgitters zum jeweils radialen Ende des jeweiligen Radialstegs erstreckenden Gerade und einer gedachten krümmungsfreien Verlängerung des jeweiligen Radialstegs über sein jeweiliges radiales Ende hinaus. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, dass der Winkel α bei unterschiedlichen Radialstegen variiert. Das bedeutet, dass die Radialstege an ihrem jeweiligen radialen Ende eine unterschiedliche Krümmung aufweisen und jeweils hinsichtlich ihrer Form in Abhängigkeit von der Zuströmrichtung angepasst sind.
• Die Anpassung der Krümmung der einzelnen Radialstege erfolgt in Umfangsrichtung, wobei ausgehend von der Nullgrad-Radialebene in Umfangsrichtung ein Winkel ρ bestimmt wird. Die Nullgrad-Radialebene verläuft dabei vorzugsweise in die Hauptzuströmrichtung. Die in Umfangsrichtung jeweils bei einem vorbestimmten Winkel ρ beabstandet angeordneten Radialstege bestimmen an ihrer radialen Enden den Winkel α, der erfindungsgemäß in Abhängigkeit des Winkels ρ mit der Funktion variiert:
• α(ρ) = r1^∗ρ für 0°≤ρ≤45°,
• α(ρ) = 90^∗r1-r1^∗ρ für 45°<ρ≤90°,
• α(ρ) = -90^∗r1 +r1^∗ρ für 90°<ρ≤135°,
• α(ρ) = 180^∗r1-r1^∗ρ für 135°<ρ≤180°,
• wobei r1 in einem Bereich von 0,6 bis 1,2, weiter bevorzugt in einem Bereich von 0,8 bis 1,0 liegt.
• Dies führt in Umfangsrichtung über zwei Quadranten (ρ = 0 - 180°) gesehen zu einer unterschiedlichen Krümmungsform der einzelnen Radialstege hin zur in die Hauptzuströmrichtung weisenden Nullgrad-Radialebene mit jeweils zunächst stärker und anschließend wieder schwächer werdender Krümmung im ersten Quadranten (ρ = 0 - 90°) und zweiten Quadranten (ρ = 90 - 180°). Auch die Umfangsstege weisen in einer Weiterbildung der Erfindung eine definierte Form auf. Die Umfangsstege sind in einer günstigen Ausführungsform entlang ihrer Axialerstreckung konvex und zumindest teilweise in Richtung der Mittelachse des Strömungsleitgitters weisend ausgebildet. Die Axialerstreckung ist dabei definiert als Erstreckung entlang der Mittelachse des Strömungsleitgitters.
• Bei dem erfindungsgemäßen Strömungsleitgitter ist in einer Weiterbildung ferner vorgesehen, dass mindestens einer der Umfangsstege eine gemittelte Axialerstreckung aufweist, die gegenüber der Mittelachse des Strömungsleitgitters um einen Winkel β geneigt verläuft. Die gemittelte Axialerstreckung wird gebildet aus einem axialen Anfangspunkt und einem axialen Endpunkt des jeweiligen Umfangsstegs und berücksichtigt somit eine mögliche konvexe Form der Umfangsstege.
• In einer sich auf die Reduzierung von Drehtönen vorteilhaft auswirkenden Ausführungsvariante verändert sich bei mindestens einem, vorzugsweise allen Umfangsstegen der Neigungswinkel β über seinen/ihren Verlauf in Umfangsrichtung. Dies führt zu einer weiteren Anpassung der Geometrie des Strömungsleitgitters in Abhängigkeit der Zuströmrichtung, wie dies bereits durch die Radialstege erfolgt.
• Der sich verändernde Neigungswinkel β der Umfangsstege wird nach der Formel β=a+b^∗cos(ρ) bestimmt, wobei a einem Mittelwert des Winkels β über dem Umfang des jeweiligen Umfangsstegs, b einem festgelegten Schwankungswert und ρ dem Winkel in Umfangsrichtung ausgehend von der Nullgrad-Radialebene entspricht. Dabei ist b in einem Bereich von b _min = 2 * e ^-0,022∗a bis b _max = 16 * e ^{-0,02,2∗ a}, vorzugsweise b _min = 7 * e ^-0,022∗a bis b _max = 12^∗ e ^-0,022∗a festgelegt.
• In Abhängigkeit von der Anzahl der radialen Hauptzuströmrichtungen wird das Strömungsleitgitter hinsichtlich seiner Radial- und Umfangsstege angepasst, um eine teilweise symmetrische oder asymmetrische Geometrie zu erzeugen. Bei nur einer Hauptzuströmrichtung sind die jeweils zwei aneinander angrenzenden Quadranten des Strömungsleitgitters gegenüber der Nullgrad-Radialebene spiegelsymmetrisch ausgebildet. In anderen Worten weisen die beiden Quadranten, auf die die Hauptströmung auftrifft, dieselbe gespiegelte Form auf.
• Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind ausschließlich in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachstehend zusammen mit der Beschreibung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

eine Draufsicht auf ein Strömungsleitgitter;

Fig. 2a

ein seitliche Schnittansicht A-A des Strömungsleitgitters aus Fig. 1;

Fig. 2b

ein seitliche Schnittansicht B-B des Strömungsleitgitters aus Fig. 1;

Fig. 3

ein Diagramm mit Darstellung der Entwicklung des Winkels α der einzelnen Radialstege in Umfangsrichtung;

Fig. 4

ein Diagramm mit Darstellung der Entwicklung des Neigungswinkels β der einzelnen Umfangsstege in Umfangsrichtung;

Fig. 5

ein Diagramm mit bevorzugtem Korridor der Werte des Mittelwerts des Winkels β über dem Umfang und dem Schwankungswert b.

• In den Figuren 1 - 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strömungsleitgitters 1 mit einer Hauptzuströmrichtung in verschiedenen Ansichten dargestellt. Gleiche Bezugszeichen benennen gleiche Teile in allen Ansichten.
• Figur 1 zeigt eine Draufsicht des Strömungsleitgitters 1 mit Gitterstegstruktur, das zur Anordnung auf der Saugseite eines Ventilators ausgebildet ist. Am radialen Außenrand sind zur Befestigung am Ventilator drei Laschen 5 vorgesehen. Die Gitterstegstruktur wird gebildet durch in Umfangsrichtung beabstandete Radialstege 2 und in radialer Richtung beabstandete koaxiale Umfangsstege 3. Die Radialstege 2 sind unterschiedlich lang und erstrecken sich von ihrem radialen Rand 4 unterschiedlich weit in Richtung der Mittelachse des Strömungsleitgitters 1 jeweils bis zu einem Umfangssteg 3. Dies führt dazu, dass die Maschenweite im radialen Außenbereich geringer ist als im Mittelbereich um die Mittelachse.
• Die Hauptzuströmrichtung ist durch den Pfeil P dargestellt und verläuft entlang der Nullgrad-Radialebene NR, die sich von der Mittelachse radial auswärts erstreckt. Das Strömungsleitgitter 1 weist eine auf diese Hauptzuströmrichtung optimierte Geometrie auf, wobei hierfür die Radialstege 2 und Umfangsstege 3 in den vier Quadranten 1Q-4Q hinsichtlich ihrer Form und Erstreckung angepasst sind. Im ersten und vierten Quadranten 1Q, 4Q und im zweiten und dritten Quadranten 2Q, 3Q ist das Strömungsleitgitter zueinander spiegelsymmetrisch. Die Radialstege 2 des Strömungsleitgitters 1 sind in allen vier Quadranten 1Q-4Q jeweils über ihre Radialerstreckung gesehen in Umfangsrichtung zur Nullgrad-Radialebene NR hin gekrümmt. Die bogenförmige Krümmung der einzelnen Radialstege 2 variiert in Abhängigkeit von ihrer Position in Umfangsrichtung (Winkel p) innerhalb der einzelnen Quadranten. Die Krümmung wird innerhalb eines Quadranten in Umfangsrichtung gesehen zunächst stärker und nimmt anschließend wieder ab. An ihren radialen Enden 4 bestimmen die einzelnen Radialstege 2 jeweils einen variierenden Winkel a, wobei α an jedem Radialsteg 2 gebildet wird aus der sich jeweils von der Mittelachse des Strömungsleitgitters 1 zum jeweils radialen Ende 4 des jeweiligen Radialstegs 2 erstreckende Gerade G und der gedachten krümmungsfreien Verlängerung V des jeweiligen Radialstegs 2 über sein jeweiliges radiales Ende 4 hinaus.
• Erfindungsgemäß ist die Krümmung, d.h. der Winkel α am jeweils radialen Ende 4 der Radialstege 2 in Abhängigkeit von der Position in Umfangsrichtung (Winkel p) in den Quadranten 1Q und 2Q durch die Funktion
• α(ρ) = 0,89*ρ für 0°≤ρ45°, α(ρ) = 90*0,89-0,89*ρ für 45°<ρ≤90°,
• α(ρ) = -90*0,89+0,89*ρ für 90°<ρ≤135°
• α(ρ) = 180*0,89-0,89*ρ
für 135°<ρ≤180° bestimmt. Die entsprechende Kurve ist in der Diagrammdarstellung in Figur 3 als gestrichelte Linie gezeigt. Figur 3 zeigt zudem einen Korridor mit oberen und unteren Grenzkurven für die oben genannten Werte von r1=0,6 und r1=1,2. Durch die symmetrische Ausbildung des Strömungsleitgitters 1 gelten die Kurven entsprechend für die Quadranten 3Q und 4Q.
• Die koaxialen Umfangsstege 3 sind entlang ihrer Axialerstreckung konvex und in Richtung der Mittelachse des Strömungsleitgitters 1 weisend ausgebildet, wie es gut in den seitlichen Schnittansichten A-A und B-B gemäß Figur 2a und 2b zu erkennen ist. Zudem verändert sich die Neigung der Umfangsstege 3 gegenüber der Mittelachse des Strömungsleitgitters 1 über ihren Verlauf in Umfangsrichtung. Die Neigung ist für einen Umfangssteg 3 an dem Schnittpunkt gemäß Figur 2b als Winkel β skizziert. Die radial weiter außen liegenden Umfangsstege 3 sind stärker geneigt als die nahe der Mittelachse verlaufenden. Da die Neigung um den Winkel β in Umfangsrichtung veränderlich ist, wird sie nach der Formel β = a+b^∗cos(ρ) bestimmt, wobei a dem jeweiligen Mittelwert des Winkels β über dem Umfang des jeweils betrachteten Umfangsstegs 3, b dem festgelegten Schwankungswert und ρ dem Winkel in Umfangsrichtung ausgehend von der Nullgrad-Radialebene (NR) entspricht.
• Figur 4 zeigt exemplarisch den Verlauf der Neigung eines Umfangsstegs 3 und die Veränderung des Winkels β in Umfangsrichtung von 0-180°, d.h. innerhalb der Quadranten 1Q und 2Q. In der gezeigten Ansicht ist der Umfangssteg 3 mit einem Mittelwert a der Neigung von 12° betrachtet, die entlang der Nullgrad-Radialebene NR bei 18° liegt und dann bis 6° abnimmt. Der Wert b liegt bei etwa 6.
• Ein bevorzugter Bereich für Schwankungswerte b der einzelnen Umfangsstege 3, die über ihre Mittelwerte a gekennzeichnet sind, ist in Fig. 5 wiedergegeben. Je höher der Mittelwert a, desto weiter liegt der jeweilige Umfangssteg 3 von der Mittelachse nach radial auswärts entfernt. Die Schwankungswerte b liegen bei kleinen Mittelwerten a im Bereich von ca. 6 - 9, bei großen Mittelwerten a im Bereich von 1,8 - 3. Die gestrichelten Linien geben den Gesamtbereich, die durchgezogenen Linien den bevorzugten Bereich des Schwankungswerts b in Abhängigkeit von dem Mittelwert des Winkels β über dem Umfang wieder. Die gepunktete Linie verbindet die durch Kreuze gekennzeichneten Werte der Umfangsstege 3 des Strömungsleitgitters 1 aus Figur 1.
• Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise ist das Strömungsleitgitter bei Axialventilatoren, Radialventilatoren und Diagonalventilatoren einsetzbar. Der Schutzumfang der Erfindung ist jedoch ausschließlich durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt.

Claims (11)

1. Strömungsleitgitter zur Anordnung auf der Saugseite eines Ventilators, mit einer Gitterstegstruktur, die in Umfangsrichtung beabstandete Radialstege (2) und in radialer Richtung beabstandete koaxiale Umfangsstege (3) umfasst, wobei die Radialstege (2) mindestens eines Quadranten des Strömungsleitgitters (1) jeweils über ihre Radialerstreckung gesehen in Umfangsrichtung zu einer vorbestimmten, sich von einer Mittelachse des Strömungsleitgitters (1) erstreckenden Radialebene hin gekrümmt sind,
   wobei die vorbestimmte Radialebene eine einen ersten Quadranten (1Q) begrenzende Nullgrad-Radialebene (NR) ist,
   wobei die Radialstege (2) jeweils radiale Enden (4) aufweisen und einen Winkel (a) bestimmen, der gebildet wird aus einer sich jeweils von einer Mittelachse des Strömungsleitgitters zum jeweils radialen Ende des jeweiligen Radialstegs erstreckenden Gerade (G) und einer gedachten krümmungsfreien Verlängerung (V) des jeweiligen Radialstegs (2) über sein jeweiliges radiales Ende (4) hinaus,
   wobei der Winkel (a) bei unterschiedlichen Radialstegen (2) variiert, und
   wobei ausgehend von der Nullgrad-Radialebene (NR) in Umfangsrichtung ein Winkel ρ bestimmt ist und die in Umfangsrichtung jeweils bei einem vorbestimmten Winkel ρ beabstandet angeordneten Radialstege (2) an ihrer radialen Enden (4) den Winkel α bestimmen, der in Abhängigkeit des Winkels ρ mit der Funktion variiert:

   α(ρ) = r1^∗ρ für 0°≤ρ≤45°,

   α(ρ) = 90^∗r1-r1^∗ρ für 45°<ρ≤90°,

   α(ρ) = -90^∗r1 +r1^∗ρ für 90°<ρ≤135°,

   α(ρ) = 180^∗r1-r1^∗ρ für 135°<ρ≤180°,

   wobei r1 in einem Bereich von 0,6 bis 1,2 liegt
2. Strömungsleitgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Radialstege (2) zweier benachbarter Quadranten des Strömungsleitgitters (1) jeweils über ihre Radialerstreckung gesehen in Umfangsrichtung zu der vorbestimmten Radialebene hin gekrümmt sind.
3. Strömungsleitgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialstege (2) aller vier Quadranten des Strömungsleitgitters (1) jeweils über ihre Radialerstreckung gesehen in Umfangsrichtung zu der vorbestimmten Radialebene hin gekrümmt sind.
4. Strömungsleitgitter nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsstege (3) entlang ihrer Axialerstreckung konvex und zumindest teilweise in Richtung der Mittelachse des Strömungsleitgitters (1) weisend ausgebildet sind.
5. Strömungsleitgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass r1 in einem Bereich von 0,8 bis 1,0 liegt.
6. Strömungsleitgitter nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Umfangsstege (3) eine gemittelte Axialerstreckung aufweist, die gegenüber der Mittelachse des Strömungsleitgitters um einen Winkel β geneigt verläuft.
7. Strömungsleitgitter nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei dem mindestens einen Umfangssteg (3) der Neigungswinkel β über seinen Verlauf in Umfangsrichtung verändert.
8. Strömungsleitgitter nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem mindestens einen Umfangssteg (3) der Neigungswinkel β nach der Formel bestimmt ist β = a+b^∗cos(ρ), wobei a einem Mittelwert des Winkels β über dem Umfang des jeweiligen Umfangsstegs(3), b einem Schwankungswert und ρ dem Winkel in Umfangsrichtung ausgehend von der Nullgrad-Radialebene (NR) entspricht, und wobei b in einem Bereich von $$b_{\min }=2\ast e^{-\mathrm{0,022}\ast a}$$

   

   bis $$b_{\max }=16\ast e^{-\mathrm{0,022}\ast a}$$

   

   festgelegt ist.
9. Strömungsleitgitter nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass b in einem Bereich von $$b_{\min }=7\ast e^{-\mathrm{0,022}\ast a}$$

   

   bis $$b_{\max }=12\ast e^{-\mathrm{0,022}\ast a}$$

   

   festgelegt ist.
10. Strömungsleitgitter nach einem der vorigen Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Umfangsstege (3) eine Neigung im Winkel β aufweisen.
11. Strömungsleitgitter nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei aneinander angrenzende Quadranten (1Q; 4Q) des Strömungsleitgitters gegenüber der Nullgrad-Radialebene (NR) spiegelsymmetrisch ausgebildet sind.

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