Kennliniencharakteristik von Diagonalventilatoren mit modifizierter Meridiankontur

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. Dies 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 auf den Volumenstrom Q, die Druckerhöhung ∆p 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.