Schleudergebläse [1]

Schleudergebläse (Ventilatoren, Zentrifugalventilatoren), Gebläse (s. Bd. 4, S. 327), welche die Luft vermöge der ihr durch die mit großer Geschwindigkeit umlaufenden Flügel oder Schaufeln des Gebläses erteilten Fliehkraft fortschleudern.

Durch die Bewegung der Luft wird eine Verminderung des Drucks derselben beim Eintritt in das Flügel- oder Schaufelrad in bezug auf die umgebende bezw. die den Ventilator verlassende Luft erzeugt. Dieser Spannungsunterschied heißt bei saugenden Ventilatoren Depression, bei blasenden Ueberdruck oder Pressung. Beide Werte werden von der[716] atmosphärischen Spannung aus (abwärts oder aufwärts) gemessen und meistens in Millimetern Wassersäule ausgedrückt. Die zur Bewegung der Luft dienenden Schaufel-, Flügel- oder Schleuderräder saugen die Luft entweder einseitig oder beiderseitig in der Mitte axial ein und schleudern sie an der Peripherie radial oder nahezu radial wieder aus. Sie sind entweder in einem gemauerten oder in einem eisernen Gehäuse angeordnet, welches bei den älteren Ausführungen das Rad bis auf einen zum Austritt der Luft dienenden Ausblasehals dicht umschließt, bei den neueren Systemen aber vorteilhaft mit einem sich allmählich erweiternden ringförmigen Raum, dem Diffusor oder Verteiler, ausgerüstet ist, in welchem die Geschwindigkeit der Luft allmählich gegen das Ausblaserohr hin verringert wird, wodurch eine Umsetzung der Geschwindigkeit in Druck, d.h. eine Verwandlung der kinetischen in potentielle Energie, stattfindet. – Nach der Leistungsfähigkeit der Schleudergebläse hat man zwei Hauptklassen zu unterscheiden: solche, welche mit verhältnismäßig geringer Spannungsänderung große Luftmengen fördern und solche, welche bei verhältnismäßig geringer Luftmenge eine große Spannungsänderung bewirken. Die ersteren haben größere Abmessung und geringere Tourenzahl, die letzteren kleinere Durchmesser bei großer Tourenzahl. Zur Beurteilung des Gütegrades eines Ventilators hat man seinen maschinellen und seinen manometrischen Wirkungsgrad zu berücksichtigen. Der erstere ist das Verhältnis der zur Bewegung einer bestimmten Luftmenge und Erzeugung einer bestimmten Depression oder Pressung theoretisch erforderlichen Arbeit zu der auf die Ventilatorwelle von der Antriebsmaschine abgegebenen, also wirklich vom Ventilator verbrauchten Arbeit. Der letztere gibt die Beziehung der vom Ventilator erzeugten, mittels eines Manometers (s. Bd. 6, S. 296, Fig. 6) gemessenen Spannungsänderung (Depression oder Pressung) zu der theoretischen, der Umfangsgeschwindigkeit des Ventilators entsprechenden Maximalpressung oder -depression. Für Zwecke der Grubenlüftung in Bergwerken werden in neuerer Zeit meistens saugende Ventilatoren angewendet, welche Depressionen von etwa 80 bis 160 mm Wassersäule (seltener mehr) erzeugen. Für die Lüftung von Gebäuden werden höchstens Spannungsunterschiede von 10 bis 20 mm benötigt, während die (blasend wirkenden) Schleudergebläse für Schmiedefeuer 100–200 mm, für Schmelzöfen sogar 200–400 mm Spannung erzeugen müssen. Die für die letzteren Zwecke dienenden Ventilatoren werden daher auch wohl Hochdruckventilatoren genannt. – Bezüglich der Schaufelform unterscheidet man Ventilatoren mit geraden und gekrümmten Schaufeln und werden die letzteren sowohl nach rückwärts (konkav) als auch nach vorwärts (konvex nach der Bewegungsrichtung zu) gebogen [1].

Eine der einfachsten und ältesten Ventilatorkonstruktionen ist diejenige von Lloyd (Fig. 1 und 2). Die Flügel A sind nach rückwärts gekrümmt und beiderseits durch Blechmäntel B abgeschlossen. Die Luft tritt in axialer Richtung ein und in etwa tangentialer Richtung zunächst in das umgebende Gehäuse und aus diesem durch den Ausblasestutzen aus. Dieses Gebläse findet noch gegenwärtig häufig Anwendung zur Ventilation und zum Betriebe von Schmiedefeuern und wird in Größen von etwa 0,3–1,5 m Durchmesser für Luftmengen von 10 bis 700 cbm in der Minute ausgeführt; es macht bis zu 3000 Umdrehungen in der Minute bei den kleinsten Nummern. Ganz ähnlich gebaut ist der Ventilator von Farcot [2], nur hat derselbe eine größere Anzahl nach vorwärts gekrümmter Schaufeln. In der Flügelform mit dem Farcotschen Ventilator gewisse Aehnlichkeit zeigt der Ventilator von Fink, bei dem die Krümmung der Schaufeln jedoch noch stärker und nach einer archimedischen Spirale erfolgt ist. Derselbe hat sich indessen nicht bewährt, da seine durch die stark gekrümmte Schaufelform bedingte Tourenzahl wesentlich höher ist als jene bei andern Ventilatoren gleicher Größe und Leistungsfähigkeit.

Die weitaus größte Anwendung finden die Schleudergebläse zur Wetterversorgung der Gruben in Bergwerken. Für diesen Zweck sind am meisten die Ventilatoren von Capell, Davidson, Geisler, Guibal, Kley, Mortier, Pelzer, Rateau und Schiele in Gebrauch.

Der Capellsche Ventilator [3] (Fig. 3 und 4) besitzt eine auf der Achse A befestigte zylindrische Trommel B mit einer Anzahl von [717] Löchern C zum Durchströmen der Luft aus dem Innern der Trommel, in welche die Luft einströmt, in den äußeren Radmantel. An beiden Seiten des Trommelmantels sind gekrümmte Schaufeln E, D befestigt. Das Gehäuse umschließt entweder, wie bei der kleinen Ausführung nach Fig. 3, das Rad allseitig mit gleichem Abstand oder bildet, wie bei der größeren Ausführung (für Grubenventilatoren) nach Fig. 4 mit dem Rad einen nach dem Ausblaseschlot hin allmählich erweiterten Raum, den sogenannten Diffusor. Eigentümlich für den Capell-Ventilator ist einmal die starke Krümmung der Schaufeln nach rückwärts und dann der sehr stark nach der Austrittsöffnung hin erweiterte Ausblaseschlot. Der Capellsche Ventilator wird fast nur doppelseitig saugend ausgeführt, und Fig. 5 zeigt den Querschnitt durch den Einbau mit doppelseitigem Saugkanal. Der Capellsche Ventilator ist so wohl in England und Belgien als auch in Deutschland als Grubenventilator sehr häufig zur Anwendung gekommen, so in Westfalen auf den Zechen Königin Elisabeth, Dahlbusch Nr. 3 und 4, Zeche Prosper, Zeche Achenbach u.a. Die Durchmesser schwanken zwischen 2,5 und 4,25 m bei 1,6 bis 1,8 m Breite, 250–300 minutlichen Umdrehungen. Der größte von ihm erreichte manometrische Wirkungsgrad betrug 83%, der größte maschinelle Wirkungsgrad 89%.

Der »Sirocco«-Ventilator von Davidson [4] (Fig. 6–9) besitzt ein Schaufelrad mit einer großen Anzahl nach vorwärts gekrümmter Schaufeln. Das Flügelrad läuft völlig frei im Innern des in bekannter Weise von der engsten nach der weitesten Stelle spiralförmig verlaufenden Gehäuses von rechteckigem Querschnitt und ist freitragend auf einer einseitig aus dem Gehäuse herausragenden Welle befestigt. In Fig. 6 ist das Schaufelrad abgebildet, während Fig. 7 den Einbau desselben im Gehäuse und Fig. 8 und 9 die Schnitte durch den Ventilator und das Gehäuse zeigen. Die besondere Eigenart dieses Ventilators besteht in der Form und Anordnung der Flügel oder Schaufeln. Die radiale Tiefe derselben beträgt bei allen Größen nur ein Sechzehntel des Durchmessers des Ventilators, die axiale Länge derselben drei Fünftel des Durchmessers und die Schaufelzahl bei allen Größen 64, durch welche Abmessungen erfahrungsgemäß die besten Resultate erzielt worden sind. Die Austritts- und Eintrittsöffnungen des Ventilators sind von gleichem Querschnitt, um den Durchgang der Luft möglichst zu erleichtern. Der Ventilator wird in Größen von 7¹/₂'' (191 mm) bis 6' (ca. 2 m) zur Ausführung gebracht und sowohl zu Lüftungszwecken für Gebäude und auch für Bergwerke, als auch, besonders in der englischen Marine, zur Erzeugung des künstlichen Zuges für Schiffsdampfkessel angewendet. Er eignet sich besonders für die Beschaffung großer Luftmengen bei nicht sehr hohen Drücken (30–50 mm Wassersäule im Maximum). Auch für Lüftungszwecke auf Kriegsschiffen hat er sowohl in der englischen als auch in der deutschen Kriegsmarine Anwendung gefunden. In neuester Zeit ist derselbe auch in England vielfach zur Grubenlüftung in Anwendung gekommen. Bei einer Ausführung beträgt der Durchmesser des Ventilators 154'' (3,95 m), der Durchmesser der Welle 22'' (ca. 55 cm), die minutliche Luftmenge ¹/₂ Million Kubikfuß (ca. 14100 cbm), die Pressung 6'' (ca. 150 mm) Wassersäule und der mechanische Wirkungsgrad 70%.

Der Geislersche Ventilator ist ein einseitig Taugender, auf einer doppelt gelagerten freitragenden Welle befestigter Ventilator mit innen schwach nach vorwärts gekrümmten, außen radial auslaufenden Schaufeln A (Fig. 10 und 11). Ein am Schaufelrad D befestigter Konus C dient zur Zerteilung der herbeiströmenden Luft und zur allmählichen stoßfreien Ueberführung aus der axialen in die radiale Richtung, wodurch Effektverluste beim Ansaugen vermieden[718] werden. Das Schaufelrad D ist als Vollscheibe aus Eisenblech hergestellt und wird von der Seite her in das Gehäuse eingesetzt. Durch zwei Ringe E und F mit beiderseits sauber abgedrehten Flächen, die am inneren und äußeren Radumfang anliegen, findet eine nahezu vollkommene Abdichtung des Rades gegen die Außenluft statt; außerdem kann durch eine Stellvorrichtung H das Rad beliebig dicht an das Gehäuse herangebracht werden. Der das Rad umgebende Diffusor oder Verteiler hat keinen kreisförmigen Querschnitt, sondern erweitert sich nach der Ausflußöffnung hin allmählich in radialer Richtung. Versuche mit einem Geislerschen Grubenventilator von 3,5 m Durchmesser s. [5]. Es wurde dabei eine Leistung von 3000 cbm bereits bei einer Depression von 45 mm erreicht und die Leistung durch höhere Tourenzahl bis auf das ⁴/₃fache gebracht.

Der Guibalsche Ventilator ist namentlich in Belgien, Frankreich, England und Nordamerika, jedoch auch in Deutschland noch gegenwärtig auf manchen Gruben im Betriebe, z.B. im Saarbrücker Revier (Grube Heinitz) und in Oberschlesien; in neuerer Zeit wird er jedoch seiner sehr großen Abmessungen wegen nicht mehr verwendet. Wie aus den Fig. 12 und 13 zu ersehen, ist dieser mit einer geringen Anzahl schwach gekrümmter oder unter einem spitzen Winkel gegen den Radumfang schräg gestellter Schaufeln versehen und bis auf eine kleine, am Ausblasehals liegende Austrittsöffnung durch das Gehäuse vollkommen umschlossen. Infolge dieser Anordnung findet nur dann eine Ausströmung der axial auf beiden Seiten in das Rad eingesaugten Luft statt, wenn eine Zelle des Rads an der Austrittsöffnung vorübergeht. Um die Größe dieser Oeffnung verändern zu können, bedient man sich eines von außen beweglichen, in zwei seitlichen Führungen laufenden Schiebers. Durch den intermittierenden, also stoßweisen Austritt der Luft wird ein sehr starkes Geräusch verursacht, das weithin hörbar ist und daher den Ventilator nur zur Grubenlüftung verwendbar macht. Eigentümlichkeiten des Ventilators sind seine sehr großen Durchmesser (bis 12 m), seine großen Breiten (bis zu 3,5 m), sein hierdurch verursachtes großes Gewicht und seine beträchtlichen Herstellungskosten. Eine Folge des großen Gewichts ist aber wieder seine hierdurch verursachte große Reibungsarbeit, die 20% und mehr der auf die Ventilatorswelle übertragenen Leistung verbraucht. Versuche, die im Jahr 1887 auf Grube Heinitz bei Saarbrücken mit einem Guibal-Ventilator von Um Durchmesser und 3 m Breite angestellt wurden, s. [6]. Der mittlere dynamische Wirkungsgrad, d.h. das Verhältnis der Ventilatorleistung zur Dampfmaschinenleistung, betrug nach derselben 66%, der mittlere manometrische Wirkungsgrad 71,5%.

Bei dem Kleyschen Ventilator, der gerade Schaufeln und einen Diffusor besitzt, wird die einströmende Luft durch einen spiralförmigen Einlauf derart den beiden zentralen Einströmungsöffnungen zugeleitet, daß sie in einer Richtung und mit einer Geschwindigkeit am Flügelrad ankommt, die ihren Eintritt in das Rad ohne Stoß und ohne Kraftverlust ermöglicht. Näheres s. [7].

Seit einigen Jahren ist in Deutschland der Ventilator von Mortier eingeführt. Die Luft strömt senkrecht zur Achse an einer Stelle des Radumfangs in das Rad, geht hierauf durch das Rad hindurch und verläßt an einer, der Einströmstelle etwa gegenüberliegenden Stelle das Rad wieder mit größerer Geschwindigkeit, die hierauf in dem nach oben hin sich allmählich erweiternden Ausblaserohr verlangsamt wird. Eine weitere Eigentümlichkeit liegt in dem Einbau zweier linsenförmig konstruierter Füllstücke F über der Welle des Ventilators, die einen Abschluß des inneren Ventilatorraums gegen das Rad bezwecken und ein Entweichen von Luft aus dem Innern lotrecht nach oben verhindern sollen. Wie die Fig. 14 und 15 erkennen lassen, schließt der Zuführungskanal des Ventilators unter einem Winkel von etwa 45° an den Wetterausziehschacht an und findet, da das Rad die Breite des Saugkanals hat, keine Einschnürung der Luft und keine Bewegungsrichtungsänderung vor dem Einströmen in das Rad statt, wodurch Effektverluste durch Winkelbildung vermieden werden. Als Hauptvorzüge dieses Ventilators sind die große Einfachheit und Betriebssicherheit, bequeme Wartung und Zugänglichkeit zu bezeichnen. Näheres s. [8].

[719] Der Ventilator von Pelzer besitzt zwei Eigentümlichkeiten: 1. Die Anordnung sogenannter Schöpfschaufeln; 2. die Anwendung eines verstellbaren Diffusors. Die ersteren haben den Zweck, die in axialer Richtung zuströmende Luft möglichst ohne Stoß und Effektverlust den eigentlichen Ventilatorschaufeln zuzuführen. Der Diffusor besteht in einer kegel- oder trichterförmigen Wand, die den Ventilator an der der Lufteinströmungsrichtung entgegengesetzten Seite umgibt und dem Ventilator mehr oder weniger genähert werden kann. Zugleich mit der den Ventilator umgebenden Ummauerung bildet der verstellbare Diffusor einen ringförmigen, ringsum offenen Kanal, durch den die vom Ventilator ausgeschleuderte Luft ins Freie strömt. Näheres s. [9].

Der Rateau-Ventilator (Fig. 16 und 17) hat sowohl bezüglich seiner einseitigen Luftzuführung als auch hinsichtlich der Schaufelauslaufrichtung einige Aehnlichkeit mit dem Geislerschen Ventilator. Im Gegensatz zu letzterem sind jedoch die Schaufeln doppelt gekrümmt und nach Art einer Schraubenfläche gestaltet, wie es aus Fig. 18 noch deutlicher zu ersehen ist, wo auch der Diffusor und der Einbau des Ventilators abgebildet ist. Auch der Diffusor ist wesentlich anders als bei dem vorgenannten Gebläse, da dieser zunächst aus einem Ring mit nahezu parallelen Seitenflächen besteht, an welchen sich erst der ringförmige Umlauf von allmählich zunehmendem kreisförmigem Querschnitt anschließt. Der Rateausche Ventilator gehört sowohl wegen seines hohen manometrischen als auch seines sehr guten maschinellen Wirkungsgrades zu den besten der gegenwärtig gebräuchlichen Ventilatoren. Er erzeugt bei verhältnismäßig kleinen Tourenzahlen starke Depressionen und eignet sich daher besonders für enge und; schwer zu ventilierende Gruben. Näheres s. [10].

Eine der wichtigsten Neuerungen auf dem Gebiete der Anwendung der Ventilatoren ist die Erzeugung der Gebläseluft für hüttenmännische Zwecke (Hochöfen, Stahlwerke) durch sehr rasch laufende Ventilatoren, sogenannte Turbokompressoren. Die erste Anregung hierzu und die ersten, mit bestem Erfolg durchgeführten Versuche flammen von Rateau. Während bei den älteren Ventilatorensystemen für Grubenlüftungs- und andre Zwecke bis dahin nur Drücke von ca. 300–400 mm Wassersäule erzielt werden konnten, erreichte Rateau bereits mit der ersten Versuchsmaschine seines Turboventilators einen Maximaldruck von 5800 mm (5,8 m) Wassersäule. Erreicht wurde dieser außerordentliche Effekt neben der besonderen Ausbildung des Ventilators durch die direkte Verbindung desselben mit raschlaufenden Dampfturbinen von 15000–20000 Umdrehungen in der Minute. Bei seinen Versuchen vom 24./25. Juli 1900 [11] erzielte Rateau bei 20200 Touren eine Pressung von 5,7 m Wassersäule bei einer Luftmenge von 0,656 cbm/sec und einem Gesamtwirkungsgrad von 30,7%. Bei Versuchen im Jahre 1902 wurde von einem Flügelrad von 0,25 m Durchmesser bei 21000 Touren ein Druck von 5,1 m und eine Luftmenge von 0,75 cbm erreicht. Bei einem Hochofen-Turbokompressor von Riedler-Stumpf [12] betrug. die sekundliche Luftmenge 20,75 cbm, die erzeugte Pressung 2,5 m Wassersäule, also die reine Ventilatorleistung N = 20,75 · 2500 : 75 = 692 PS. Die Anwendung der Turbokompressoren für Hüttenwerke als Hochofen- und Stahlwerksgebläse sowie als Luftkompressoren nimmt mit der zunehmenden Anwendung der Dampfturbinen an Ausdehnung zu und ist namentlich der Raumbedarf dieser Anlagen wesentlich geringer als derjenige der Zylindergebläsemaschinenanlagen.

Die Theorie der Ventilatoren gibt die Grundlage für den richtigen Bau der Flügelräder, der Diffusoren, der Ein- und Austrittsöffnung. Die Beziehungen zwischen dem Widerstand einer Grube, der sogenannten äquivalenten Grubenweite A, der in der Sekunde durch dieselbe hindurchgehenden Luftmengen Q in Kubikmetern und der erforderlichen Pressung oder Depression H in Millimetern Wassersäule ist gegeben durch die Grundgleichung A = 0,38 Q : √H in Quadratmetern; der Zusammenhang zwischen der erzeugten Depression und der Umfangsgeschwindigkeit u des Ventilators ist gegeben durch die Gleichung H₀ = u² · γ : g · γ₀ in Metern Wassersäule (theoretisch), worin γ und γ₀ die Gewichte von 1 cbm Luft und Wasser bedeuten, effektiv durch die Gleichung H_e = k · H₀, worin k den manometrischen Wirkungsgrad bezeichnet. Für die Berechnung der Betriebskraft eines Ventilators dient die Gleichung N = Q · H_e : 75 in Pferdestärken, worin Q die sekundlich angesaugte Luftmenge in Kubikmetern und H_e die Pressung oder Depression in Millimetern Wassersäule bedeutet. Für den manometrischen und den mechanischen oder dynamischen Wirkungsgrad sind u.a. bei Vergleichsversuchen [13] die in der Tabelle auf S. 720 gegebenen Werte ermittelt worden.

Theoretische Untersuchungen über die Konstruktionsverhältnisse, Wirkungsgrade, Luftbewegung und verschiedene andre wichtige, die Schleudergebläse betreffende Fragen s. in [14].

[720] Literatur: [1] Ueber die Theorie der Schaufelform, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1891, S. 576 ff.; Weisbach-Herrmann, Ingenieurmechanik, Bd. 3, 2. Abt.; v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 684. – [2] v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 355, Fig. 372–374. – [3] Capell, George M., Pattenham (England), D.R.P. Nr. 25273 (1883), ausgeführt von R.W. Dinnendahl, Kunstwerkerhütte bei Steele a. d. Ruhr. – [4] Davidson, S.C., D.R.P. Nr. 116231 (1900), ausgeführt von Sirocco-Engineering-Works in Belfast (Irland), in Deutschland von White, Child & Benney in Berlin; Zeitschr. für Berg-, Hütten- und Salinenwesen 1902, Heft 1; Engineer 1901, 21, 6; v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 435–452; Zeitschr. d. Ing. 1905, S. 1992, 2045. – [5] Oesterr. Zeitschr. für Berg- und Hüttenw. 1887, S. 72 ff., und v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 391. – [6] Oesterr. Zeitschr. für Berg- und Hüttenw. 1888, S. 671; Rev. des mines 1903, S. 219. – [7] D.R.P. Nr. 20314; v. Hauer, Wettermaschinen, Leipzig 1889, S. 99, 101 ff.; v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 374; Oesterr. Zeitschr. für Berg- und Hüttenw. 1887, S. 14. – [8] »Glückauf« 1896, Nr. 12; Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1896, S. 963, 1226. – [9] v. Hauer, Wettermaschinen, S. 108; v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 379. – [10] Compt. rendus de la soc. minérale 1889, S. 140 ff.; Rev. des mines 1891, S. 226; v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 403. – [11] Ventil, et Pomp, centrif. pour hautes pressions par turbines à vapeur etc. par A. Rateau, Bulletin de la Société de l'Ind. min. 1902, 4. Serie. – [12] »Stahl und Eisen« 1905, S. 271; »Glückauf« 1905, S. 18. – [13] Publ. de la Société des Ingen, etc. du Hainant, Bd. 2; v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 465. – [14] Theoretisches, s. Murgue, Ueber Grubenventilatoren, Leipzig 1884; v. Hauer, Wettermaschinen; Weisbach-Herrmann, Ingenieurmechanik, 3. Teil, 2. Abt., 2. Aufl., Braunschweig 1880, § 205–209; Lindner, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1891, S. 576; Rateau, Compt. rendus de la soc. minérale 1889, S. 173 ff.; Herrmann, Graphische Theorie der Turbinen und Kreispumpen, Berlin 1887; v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., 2. Teil, S. 519 s.

v. Ihering.

Fig. 1., Fig. 2.

Fig. 3., Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6.

Fig. 7., Fig. 8., Fig. 9.

Fig. 10., Fig. 11.

Fig. 12 und 13.

Fig. 14 und 15.

Fig. 16 und 17.

Fig. 18.