Vorwärts gekrümmtes motorisiertes Laufrad
Nachdem der benötigte Volumenstrom – sei es für die Frischluftversorgung oder die Prozesskühlung – definiert ist, muss dieser mit dem Strömungswiderstand des Ventilators in der Anwendung kombiniert werden. Volumenstrom (in m³/h) und Druck (in Pascal) ergeben zusammen den Betriebspunkt, bei dem der Ventilator arbeiten muss. Wichtig ist, einen Ventilator auszuwählen, dessen Leistungskennlinie den geforderten Betriebspunkt am oder nahe dem maximalen Wirkungsgrad erreicht. Durch den Einsatz des Ventilators bei maximalem Wirkungsgrad werden Stromverbrauch und Geräuschentwicklung minimiert und gleichzeitig die erforderliche Leistung erzielt.
Wie funktioniert ein vorwärtsgekrümmter Radialventilator?
Der Name „Radialventilator“ leitet sich von der Strömungsrichtung ab und davon, wie die Luft axial in das Laufrad eintritt und dann vom äußeren Umfang des Ventilators nach außen gedrückt wird. Der Unterschied in der Strömungsrichtung zwischen einem vorwärts- und einem rückwärtsgekrümmten Radialventilator liegt in der Richtung, in der die Luft den Umfang des Laufrads verlässt. Bei einem rückwärtsgekrümmten Laufrad tritt die Luft radial aus, während sie bei einem vorwärtsgekrümmten Laufrad tangential aus dem Umfang des Ventilators austritt.
Ein vorwärtsgekrümmter Radialventilator zeichnet sich durch seine zylindrische Form und die vielen kleinen Schaufeln am Umfang des Laufrads aus. Im unten gezeigten Beispiel dreht sich der Ventilator im Uhrzeigersinn.
Im Gegensatz zum rückwärtsgekrümmten Laufrad benötigt das vorwärtsgekrümmte Laufrad ein Gehäuse, das die mit hoher Geschwindigkeit austretende Luft, die die Spitzen der Laufradschaufeln verlässt, in eine statische Kraft mit geringerer Geschwindigkeit umwandelt. Die Form des Gehäuses lenkt den Luftstrom zudem zum Auslass. Diese Art von Lüftergehäuse wird allgemein als Spiralgehäuse bezeichnet, kann aber auch als Spiral- oder Sirocco-Gehäuse bezeichnet werden. Durch den Einbau des vorwärtsgekrümmten Laufrads in ein Spiralgehäuse spricht man üblicherweise von einem vorwärtsgekrümmten Gebläse.
Es gibt zwei Arten von Gebläsen, die ein nach vorne gekrümmtes, motorisiertes Laufrad verwenden, wie unten gezeigt …
Der einseitig saugende Lüfter (links) saugt Luft von einer Gehäuseseite durch den runden Einlass an und leitet sie zum quadratischen Auslass (hier mit Montageflansch zu sehen). Der doppelseitig saugende Lüfter verfügt über ein breiteres Spiralgehäuse, das Luft von beiden Seiten der Spirale ansaugt und zum breiteren quadratischen Auslass leitet.
Wie beim rückwärts gekrümmten Radialventilator saugt die Saugseite des Laufradblatts Luft aus der Mitte des Ventilators an, was zu einer Richtungsänderung des Luftstroms zwischen Einlass und Auslass von 90° führt.
Lüftercharakteristik
Der optimale Betriebsbereich für einen vorwärtsgekrümmten Radialventilator liegt bei höherem Druck. Ein vorwärtsgekrümmter Radialventilator arbeitet am besten, wenn hohe Drücke bei geringeren Volumenströmen erforderlich sind. Die folgende Grafik veranschaulicht den optimalen Arbeitsbereich…
Der Volumenstrom ist auf der X-Achse und der Systemdruck auf der Y-Achse aufgetragen. Bei drucklosem System (der Lüfter bläst frei), erzeugt ein vorwärtsgekrümmter Radialventilator den größten Volumenstrom. Wird auf der Saug- oder Abluftseite des Lüfters ein Strömungswiderstand aufgebaut, sinkt der Volumenstrom.
Bei der Auswahl eines vorwärtsgekrümmten Gebläses für niedrige Drücke und höchste Volumenströme ist Vorsicht geboten. In diesem Fall befindet sich das Laufrad im aerodynamischen Strömungsabriss, ähnlich wie ein Axialventilator im Sattelpunkt seiner Kurve. Aufgrund der Turbulenzen erreichen Lärm und Stromverbrauch hier ihren Höhepunkt.
Der Spitzenwirkungsgrad liegt am sogenannten Knickpunkt der Kennlinie. Hier ist das Verhältnis der Ausgangsleistung des Ventilators (Volumenstrom (m³/s) x statischer Druckentwicklung (Pa)) zur elektrischen Leistungsaufnahme (W) am größten und der vom Ventilator erzeugte Schalldruck am leisesten. Oberhalb und unterhalb des optimalen Betriebsbereichs wird die Strömung über den Ventilator lauter und die Effizienz des Ventilatorsystems sinkt.
Der Vorteil eines einseitig saugenden, vorwärtsgekrümmten Motorlaufrads liegt in seiner steilen Kennlinie. Dies ist besonders in Systemen nützlich, die eine konstante Filterung erfordern. Beim Durchgang der Luft durch einen Partikelfilter hält dieser Staub und Pollen in der Luft zurück. Je feiner die Filterfeinheit, desto kleiner sind die vom Filter zurückgehaltenen Partikel. Mit der Zeit setzt sich der Filter zunehmend mit Schmutz und Ablagerungen zu, wodurch mehr Druck erforderlich ist, um die gleiche Luftmenge zu liefern. Die Verwendung eines Laufrads mit steiler Kennlinie bedeutet in diesem Fall, dass bei zunehmender Filterverstopfung der Volumenstrom konstant bleibt, während der Druck über dem Filter steigt.
Der Vorteil eines doppelseitig saugenden, vorwärtsgekrümmten Laufrads besteht darin, dass ein relativ kleines Gebläse einen hohen Volumenstrom liefern kann. Der Nachteil eines doppelseitig saugenden Gebläses besteht darin, dass es eine geringere Druckentwicklung aufweist und daher nur mit Niederdrucksystemen betrieben werden kann.
Montagemöglichkeiten
Wie bereits erwähnt, erzeugt das vorwärtsgekrümmte motorisierte Laufrad an den Schaufelspitzen Hochgeschwindigkeitsluft, die gelenkt und verlangsamt werden muss, um dynamischen Druck in statischen Druck umzuwandeln. Um dies zu ermöglichen, bauen wir eine Spirale um das Laufrad. Die Form ergibt sich aus dem Verhältnis der Abstände zwischen Laufradmitte und Lüfterauslass. Wie beim rückwärtsgekrümmten Lüfter empfiehlt sich auch hier eine kleine Überlappung zwischen dem Einlassring und der Laufradöffnung. Beide Montageaspekte sind in der folgenden Abbildung dargestellt…
Der Durchmesser des Einlassrings sollte nur einen kleinen Spalt zwischen Laufrad und Ring zulassen, um eine Luftrückzirkulation zu vermeiden.
Hinweise zur Montage – Abstände
Es ist wichtig, ausreichend Abstand an der Saugseite und an der Seite des Lüfters zu gewährleisten.
Ein unzureichender Abstand auf der Saugseite des Lüfters erhöht die Einlassgeschwindigkeit und führt zu Turbulenzen. Diese Turbulenzen verstärken sich, wenn die Luft durch das Laufrad strömt. Dies verringert die Effizienz der Energieübertragung vom Lüfterblatt auf die Luft, führt zu mehr Lärm und verringert die Lüftereffizienz.
Allgemeine Empfehlungen für Einlass- und Auslassbedingungen sind:
Einlassseite
- Keine Behinderung oder Änderung der Strömungsrichtung innerhalb eines Abstands von 1/3 eines Lüfterdurchmessers vom Einlass des Lüfters
Zusammenfassung – Warum einen Radialventilator mit vorwärtsgekrümmter Geometrie wählen?
Liegt der erforderliche Betriebspunkt im Bereich höherer Systemdrücke im Vergleich zu geringerem Volumenstrom auf der Lüfterkennlinie, sollte ein einseitig saugender, vorwärtsgekrümmter Radialventilator in Betracht gezogen werden. Benötigt die Anwendung einen hohen Volumenstrom auf engstem Raum, sollte ein doppelseitig saugender, vorwärtsgekrümmter Radialventilator in Betracht gezogen werden.
Der Lüfter sollte in seinem optimalen Bereich, dem sogenannten Knickpunkt seiner Kennlinie, ausgewählt werden. Der höchste Wirkungsgrad liegt nahe der Oberdruckgrenze der Lüfterkennlinie, wo er auch am leisesten läuft. Ein Betrieb außerhalb des optimalen Bereichs (bei extrem hohem Volumenstrom) sollte vermieden werden, da die Turbulenzen und die aerodynamische Effizienz der Laufradschaufeln an diesen Punkten Geräusche erzeugen und das Laufrad zudem in einen aerodynamischen Strömungsabriss gerät. Bei niedrigen Drücken und hohen Volumenströmen sollte die Betriebstemperatur des Motors unter Last berücksichtigt werden, da die Gefahr einer Motorüberhitzung besteht.
Die Luft an der Einlassseite des Laufrads sollte möglichst gleichmäßig und laminar strömen. Um den Wirkungsgrad zu maximieren, sollte am Lüftereinlass mindestens ein Abstand von 1/3 des Laufraddurchmessers eingehalten werden. Ein den Laufradeinlass überlappender Einlaufring (Einlaufdüse) trägt dazu bei, Strömungsstörungen vor dem Ansaugen der Luft durch den Lüfter zu vermeiden, turbulenzbedingte Geräusche zu reduzieren, den Stromverbrauch am Betriebspunkt zu minimieren und den Wirkungsgrad zu maximieren.
Die steile Betriebskennlinie, die höhere Druckkapazität von Gebläsen mit einfacher Ansaugung und die hohe Durchflusskapazität von Gebläsen mit doppelter Ansaugung bedeuten, dass der vorwärtsgekrümmte Ventilator eine nützliche Option ist, die bei einer Vielzahl von Installationen in Betracht gezogen werden sollte.
Veröffentlichungszeit: 16. August 2023