Neuartige Laufrad- und Gehäusegeometrie

Ventilatoren in Trommelläufer-Bauweise sind in Klima- und Kältegeräten weitverbreitet, wenn Luft mit nicht zu hoher statischer Druckreserve (bis ca. 1kPa) durch ein Verteilkanalnetz gefördert werden soll. Auch bei frei ausblasenden Geräten also ohne äußere Druckreserve ist diese Ausführung häufig vertreten. Mit dieser Laufradgeometrie lassen sich vergleichsweise niedrige Drehzahl, Schallpegel und geringer Leistungsbedarf bei vertretbaren Gerätekosten erreichen.

Bauartbedingt ist die Austrittsgeschwindigkeit der Luft an den bei diesem Laufradtyp vorwärts gekrümmten Laufschaufeln sehr hoch, so dass zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrads der hohe dynamische Druckanteil möglichst vollständig durch verlustarme Verzögerung in statische Druckerhöhung umgewandelt werden muss.

Dazu dient einerseits ein für jede Laufradgröße angepasstes Spiralgehäuse, zum anderen müssen die Einbausituation dieses Ventilatortyps in ein Gerätegehäuse und vor allem die druckseitige Abströmung immer optimiert werden. Trotzdem werden dabei häufig die Vorteile des Trommelventilators wieder aufgebraucht.

Die nachfolgend vorgestellten Änderungen an Laufrad- und Gehäusegeome­trie ermöglichen höheren Luftdurchsatz bei abgesenktem Energieverbrauch und niedrigeren Schallpegel.

Motivation zur Änderung

Beim Bau von Klimageräten ist die Suche nach optimalen Ventilatoren für die Zuluftseite eine wesentliche Ingenieursaufgabe, denn dadurch werden die äußere Gerätegeo­metrie, die möglichst gleichmäßige luftseitige Beaufschlagung der internen Funk­tionselemente Luftfilter, Wärmeübertrager und ggf. Tropfenabscheider sowie der Elektroenergieverbrauch und Schallpegel des Klimagerätes entscheidend beeinflusst.

Hat man die grundsätzliche Entscheidung zu Trommelventilatoren gefällt, dann ist man immer wieder unangenehm überrascht, wie viel schlechter die Ventilatorkennlinie im Einbauzustand gegenüber der in einer standardisierten Messstrecke ermittelten ist, auch wenn man viel Aufwand getrieben hat, um die hohe Austrittsgeschwindigkeit aus dem Trommellaufrad durch Diffusoren zu vermindern und so in statische Druckerhöhung umzuwandeln.

Bei manchmal erforderlicher Parallelschaltung von Trommelläufern kommen zusätzliche Schwierigkeiten hinzu, die aus dem speziellen Kennliniencharakter mit ausgeprägtem Sattel bei niedrigeren Luftdurchsätzen herrühren.

Kritik an den Herstellerdaten

Der Hersteller bzw. Anbieter eines Laufrades oder eines kompletten Ventilators ist natürlich daran interessiert, möglichst günstige Leistungsdaten (Druckerhöhung und Wirkungsgrad) auszuweisen. Deshalb wird auch meistens die Gesamtdruckerhöhung und nicht die nutzbare statische Druckerhöhung veröffentlicht. Natürlich ist diese Vorgehensweise durch standardisierte Vereinbarungen gedeckt, aber diese sind zwangsläufig Resultat der Herstellerlobby mit o.g. Ziel.

Je nach gewähltem Bezugsquerschnitt für die Ermittlung einer theoretisch vereinfacht angenommenen gleichmäßigen Luftgeschwindigkeit zur Berechnung des dynamischen Druckanteils ergeben sich schon dadurch unterschiedlich hohe Gesamtdruck­erhöhungen. Man sucht also einen möglichst großen, im Vergleich zum eigentlich energetisch wirksamen engsten Querschnitt (am Ende des Schaufelkanals) oft völlig unrealistischen Bezugsquerschnitt z.B. einen meist nach standardisierten Normzahlreihen gewählten Anschlussflanschquerschnitt am Druckstutzen. Aber welchen Bezugsquerschnitt man auch immer annimmt, die reale Luftströmung in jedem ist sowohl in Richtung als auch Betrag nicht einheitlich.

Diese Ungleichmäßigkeit bemerken natürlich nachfolgende Funktions­elemente, seien es Wärmeübertrager, Filter oder Anschlusskanal-Krümmer und reagieren wegen der hohen Spitzengeschwindigkeit mit überproportional erhöhtem Energiebedarf (Druckabfall) zum Durchströmen und schlechterer Erfüllung ihrer jeweiligen Hauptaufgabe.

Bei stationären Klimageräten ist die saugseitige Anordnung der Funktionselemente vorherrschend, so dass hierbei der verbessernde Effekt gleichmäßigerer Luftgeschwindigkeitsverteilung für die Hauptaufgabe des Klimagerätes (Heizen, Kühlen, Filtern der Zuluft) in den Hintergrund tritt.

Wenn allerdings spezielle Einbauräume vorgegeben sind (z.B. bei der Fahrzeugklimatisierung), dann führen die geome­trischen Zwänge häufig auch zu druckseitiger Anordnung von Funktionselementen (also nach dem Zuluftventilator), wobei dann natürlich auch positive Effekte für Wärmeübertragungsleistung und Filtergüte und -standzeit im Vergleich zum Standard-Laufrad zu verzeichnen sind.

Die vorgestellten Untersuchungen wurden an stationären Klimageräten vorgenommen, bei denen also die internen Funktionselemente saugseitig vor dem Zuluftventilator angeordnet waren.

Messobjekte

Die prinzipiell gewählte Bauformänderung ergab sich rein intuitiv, wurde also nicht theo­retisch vorher begründet. Aber die vorgestellte Lösung ergab sich aus der messtechnischen Untersuchung des Einflusses verschiedener geometrischer Merkmale, die (auch nur intuitiv) Erfolg zu versprechen schienen.

Alle untersuchten Laufräder mussten aufwendig manuell gefertigt werden. Deshalb konnte die Variationsvielfalt nicht so groß ausfallen, wie eigentlich wün­schenswert. Erste Untersuchungen erfolgten ausschließlich am Aggregat a), wobei Öffnungswinkel und Laufradbreite, Zungenabstand sowie Gestaltung der inneren Trennscheibe mehrfach variiert wurden. Um aber gewisse Verallgemeinerungsfähigkeit zu bekommen, wurde nach anfänglichem Optimierungserfolg am Aggregat a) ein weiteres Aggregat b) für einen deutlich unterschiedlichen Einsatzfall gebaut.

Es stellte sich heraus, dass ein Öffnungswinkel des Laufrades von 14,5° für beide Laufradgrößen optimale Verhältnisse brachte, wobei die Laufradbreite, bezogen auf den Schaufeleintrittsdurchmesser an der Saugdüsenseite, bei einem Wert von 0,66 optimal war.

Bei der erstmaligen handwerklichen Fertigung eines doppelflutigen Laufrades wurde, leicht nachvollziehbar, die Bezeichnung Diabolo für diese geänderte Laufradform geboren.

a) Ventilatoraggregat mit zwei doppelflutigen Trommelläufern (Ausgangsgröße 160 = Saugdüseninnendurchmesser in mm) Nennluftdurchsatz für ein Doppellaufrad 800m³/h, angetrieben über einen speziellen einphasigen drehzahlstellbaren Wechselstrom-Messmotor mit zwei Wellenenden also für Nennluftdurchsatz in einer Klimatruhe von 1600m³/h. Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie und der elektromechanische Wirkungsgrad des Messmotors waren vorab in umfangreichen Messreihen mit einer Drehmomentenwaage und Gleichstromgeneratorbremse ermittelt worden. Dieses Ventilatoraggregat wurde in einer Klimatruhe frei ausblasend eingesetzt. Eine äußere Druckreserve wurde also nicht gebraucht. Der frei ausblasende Zustand wurde bei der Luftmengenmessung durch Vergleich von Leistungsaufnahme und Drehzahl des Ventilatorantriebsmotors und gleichzeitige Kontrolle des statischen Druckes im Ausblasquerschnitt mittels drehzahlgeregeltem Stützventilator eingestellt. Diese umständliche Vorgehensweise war nötig, um Schalldruckpegel ohne und Luftfördervolumen mit Messstrecke und Stützventilator messen zu können.

b) Ventilatoraggregat mit einem doppelflutigen Trommelläufer (Ausgangsgröße 224), Antrieb mittels Keilriemen von einem Drehstromasynchron-Motor. Dieses Aggregat wurde in einem Klimaschrank mit 6000m³/h Nennluftdurchsatz eingesetzt, der normalerweise in ein Zuluftkanalsystem fördert. An diesem Einsatzfall wird die Verbesserung der Geräteparameter erläutert.

Wenn man Bild 1 betrachtet, könnte man einwenden, dass ja die geänderte Version mehr Einbauraum benötigt als die Normalversion. Dies betrifft aber nur die Breite des Aggregates. In dieser Richtung ist aber wegen des Platzbedarfs der Wärmeübertrager i.Allg. genügend Einbauraum vorhanden, so dass keine Bauraumvergrößerung erforderlich ist.

Natürlich ließ sich das geänderte Aggregat problemlos im gleichen Klimagerät wie das Ursprungsaggregat unterbringen, denn das war ja schließlich der Ausgangspunkt aller Änderungsaktivitäten und ein, wenn auch geringfügiger, möglicher Einfluss des Abstandes der Saugdüsen von der Gehäusewandung auf die Leistung des Ventilatoraggregates wurde durch Messung nur bei realer Einbausituation im Vergleich berücksichtigt.

Auch wenn man im Bild 1 die entscheidenden Veränderungen erkennen kann, seien sie hier verbal aufgeführt:

Ausgangspunkt war ein Laufrad Nenngröße 224 mit 234mm Eintrittsdurchmesser in den Schaufelkanal. Schaufelform (Kreisbogenschaufel R20), Schaufelwinkel und -anzahl (42 Stück) des Standard-Laufrades 224 wurden ungeändert beibehalten.

Aber Schaufellänge und Öffnungswinkel der Schaufeleinbaulage wurden entsprechend der Optimierungsuntersuchungen am Aggregat a) geändert. Die Saugdüse im Ventilatorgehäuse wurde mit einer kleineren Krümmung versehen, als eine Standarddüse aufweist. Dies führt dazu, dass die Vergrößerung der Gehäusebreite etwas kleiner bleiben kann.

Die Spiralkontur des Ventilatorgehäuses wurde so beibehalten, wie sie dem Standardlaufrad mit dem kleineren Durchmesser entspricht. Lediglich der Zungenabstand wurde innerhalb der Versuche noch variiert und letztlich mit 18mm zum größten Schaufelaustrittsdurchmesser gewählt.

Es ist schließlich noch zu bemerken, dass die Zungengestaltung bisher nicht optimiert ist, d.h. die Zungenkontur ist achsenparallel, folgt also nicht der Schaufelschräge. Hier ist also weiteres Verbesserungspotenzial zu erwarten. Gleiches gilt auch für das Gehäuse.

Kritische Diskussionen mit einem Ventilatorentwickler ergaben sich daraus, dass das Aggregat b) in dessen standardisierter Messstrecke vermessen wurde und seine dimen­sionslosen Kennziffern, wie zu erwarten, zwischen denen des kleinen und großen Standard-Trommellaufrades lagen. Dies führte zur totalen Ablehnung des Diabolos vonseiten des Ventilatorentwicklers, weil aus Ventilatorsicht kein Vorteil erkennbar war.

Aber gerade erst die Fokussierung der vorgelegten Änderungen und Mess­methoden auf die erforderlichen Einbau­gegebenheiten zeigt die bedeutende Ver­besserung durch Einsatz des Diabolos. Deshalb sollte sich kein Ventilatornutzer auf die unter idealen Bedingungen erstellten Kennlinien verlassen, sondern eigene Erfahrungen bei der Wahl der richtigen Ventilatoren nutzen.

Messstrecke für Laufradvariante b)

Um der durch Standardisierung aufgezwungenen rechnerischen Aufwertung der Gesamtdruckerhöhung aus dem Wege zu gehen, wurde auf einem Prüfstand bei der Suche nach besserer Ventilatorgestaltung nur unter exakt realen Einsatz- und Einbaubedingungen (also im realen Einbauzustand) zwischen Normalausführung und verbesserter Ausführung vergleichend gemessen. Es wurde ausschließlich Wert darauf gelegt, die beim Einbau des Ventilators in ein Geräte-Gehäuse wirksamen Parameter Luftdurchsatz, statische Druckerhöhung, Energieverbrauch des Ventilatorantriebs und saugseitiger Schalldruckpegel zu vergleichen. Dabei erwies sich der deutliche Vorteil der Änderungen.

Eine Untersuchung der detaillierten Durchströmung von geändertem Gehäuse und geändertem Laufrad erfolgte allerdings nicht. Solche tief gehenden Messungen schienen dem Praktiker zu aufwendig und wären allenfalls Strömungstechnikern vorbehalten, wenn schon deren theoretische Betrachtungen weiteres Verbesserungspotenzial aufdecken sollten.

Der Prüfstand entsprach einer üblichen realistischen Zuluft-Kanal-Anschluss­situation. Dabei entfiel völlig die Versuchung, irgendwelche beschönigenden Bezugsquerschnitte einzuführen. Die Messstrecke (400mm Innendurchmesser, Gesamtlänge 8m mit Messblende m=0,681) mit hand­betätigter Irisblende am Ende bedurfte ­keines Stützventilators, weil das reale Klimagerät nicht als frei ausblasend konzipiert war, so dass ihr Druckverlust vom Klimageräte-Ventilator überwunden werden konnte.

Die unterschiedlichen Endpunkte der gemessenen Kennlinien bei hohem Luftdurchsatz waren bedingt durch den Druckverlust der Messstrecke mit voll geöffneter Irisblende. Schon daran erkennt man die bedeutende Verbesserung der Luftleistung beim Diabolo-Laufrad.

Messergebnisse

p,V-Kennlinie: Nochmals wird darauf hingewiesen, dass hier die statische Druckerhöhung aufgezeigt wird. Zu bemerken ist, dass bei niedrigem Luftdurchsatz die Standardausführung höhere Drucksteigerung bringt. Aber die kostengünstigen Einsatzfälle liegen nicht bei im Vergleich zum Nennvolumen vermindertem Luftdurchsatz (Investitions- und Betriebskosten für die gesamte Klimaanlage), solche Einsatzpunkte also eher die Ausnahme sind. Im Gegenteil werden vor allem die Fixkosten bei Betrieb oberhalb des Nennpunktes deutlich niedriger, so dass diese Betriebspunkte real überwiegen werden.

Der Endpunkt der Kennlinie ist der Arbeitspunkt der voll geöffneten Luftmessstrecke. Man erkennt die Erhöhung der Luftmenge mit Diabolo-Laufrad. In Richtung niedriger Durchsätze erkennt man die Tendenz, dass das Diabolo-Laufrad einen wesentlich kleineren Sattel aufweist und somit besser für Parallelbetrieb geeignet sein dürfte.

Statischer Wirkungsgrad: Im gesamten Arbeitsbereich ist der statische Wirkungsgrad des Diabolo-Laufrades um 2 bis 18 Prozentpunkte höher. Im Nennpunkt 6000m³/h hat das Diabolo-Laufrad damit einen um 460W geringeren Leistungsbedarf (knapp 20% weniger) als das normale Laufrad.

Wenn man die hohen Stückzahlen und langen Laufzeiten von Lüftungs- und Klimaanlagen mit Trommelventilatoren bundesweit betrachtet, so dürfte ein erkleckliches Elektro-Energie-Einsparpotenzial bei Einführung dieser Änderung nutzbar gemacht werden können.

Saugseitiger Schalldruckpegel: Im gesamten Einsatzbereich liegt der saug­seitige Schalldruckpegel des DiaboloLaufrades 2 bis 4dB(A) niedriger. Der druckseitige Schallpegel ließ sich nicht messen, da zur ordentlichen Reproduktion der Vergleichszustände die druckseitige Messstrecke zwingend vorhanden sein musste. Aber tendenziell müsste sich Ähnliches ergeben.

Technologische Gedanken

Natürlich ist die Fertigung dieses Laufrades aufwendiger als die eines zylindrischen Trommelläufers.

Es wird hier gezeigt, dass es möglich sein muss, Laufschaufeln aus einem ebenen Segment (Ronde) zu stanzen und zu formen, so dass ein komplettes Diabolo-Laufrad mit vertretbarem Fertigungsaufwand entsteht.

Wenn man die Radgeometrie der Lauf­radvariante b) anstrebt, muss man die Schaufelbreite zur inneren Laufradtrennwand hin von ca. 30 auf ca. 20mm verringern, weil man sonst nicht 42 Schaufeln unterbringt. Wiederum nur rein intuitiv dürfte das keinen großen Einfluss haben.

Weil die Schaufeln im fertigen Diabolo praktisch fast tangential enden, ist das Stanzen und Ausformen der Schaufeln mittels einfachem Werkzeug möglich, an dem vorbei die Ronde in 42 Schritten um die spätere Laufrad-Achse rotiert. Das Schaufelstanzen erfolgt so, dass die Schaufeln am inneren Ende (gegenüber der späteren Saugdüse) im oberen Randbereich Verbindung zur Ronde behalten.

Um die Schaufelschräge auszuformen, zieht man die gestanzte und geprägte Ronde durch einen Montagekelch mit dem Spitzenwinkel von 14,5°, der ggf. auch Nuten entsprechend der Schaufelzahl enthält. Danach müssen die freien Schaufelenden auf der Saugdüsenseite, die beim Stanzen und Prägen mit Verbindungslaschen versehen wurden, durch Punktschweißen miteinander verbunden werden.

Fazit

Wer verinnerlicht hat, dass in heutiger Zeit Einsparung von Energie in jedem Fall richtig und wichtig ist für die Entwicklung der Welt, dann sollten diese Gedanken bei ihm auf fruchtbaren Boden fallen und positive Wirkungen entfalten können, sofern die Realisierung in sein Aufgabengebiet fällt. In diesem Sinne wünscht sich der Autor weite Verbreitung dieser Idee in realen Produkten.

Die Idee ist frei verfügbar. Der Autor hat diese Entwicklung in länger zurückliegender Zeit initiiert und durchgeführt, ohne dass es zu einer Anwendung gekommen ist. Schutzrechte bestehen nicht mehr, auch keine Lizenzansprüche des Autors. Es wäre ihm eine Freude, eine praktische Nutzung zu sehen.-

YOCIEL Klimatechnik, Leipzig