Optimierung der aerodynamischen und aeroakustischen Eigenschaften von Radialventilatoren mit der Methode der inversen Auslegung

Radialventilatoren mit rückwärts-gekrümmten Schaufeln werden in weiten Bereichen der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik angewendet. Ihr bauartbedingter Vorteil gegenüber Axialventilatoren ist der höhere erreichbare Druckaufbau bei in der Regel geringeren Volumenströmen. Im Vergleich zu Radialventilatoren mit vorwärts-gekrümmten Schaufeln, sogenannten Trommelläufer-Ventilatoren, sind die erreichbaren Spitzenwirkungsgrade mit rückwärts-gekrümmten Schaufeln aufgrund der strömungsmechanisch besseren Ventilatordurchströmung höher. Als nachteilig erweist sich jedoch das lautere und oftmals als unangenehmer empfundene Betriebsgeräusch, als es bei Trommelläufern der Fall ist. Aufgrund des zunehmenden Bewusstseins für Energieersparnis sowie Komfort bei Nutzern und Nutzerinnen von beispielsweise Haushaltsgeräten bietet die Optimierung der aerodynamischen und aeroakustischen Eigenschaften von Ventilatoren ein breites Forschungsfeld. In dieser Arbeit wird der inverse Auslegungsansatz in Verbindung mit einem evolutionären Algorithmus in einer direkten Optimierungsstrategie genutzt, um den Wirkungsgrad und das Betriebsgeräusch eines Radialventilators mit rückwärts-gekrümmten Schaufeln zu verbessern. Dabei sollen die Möglichkeiten und Auswirkungen des Verfahrens auf die Schaufelgeometrie evaluiert werden, ohne zeitintensive Simulationen als Teil des Optimierungsprozesses durchführen zu müssen. Die Ergebnisse der Optimierungen werden anschließend in Form von physischen Prototypen und numerischen Modellen für zwei ausgewählte Lösungskandidaten sowie einen Referenzventilator untersucht und bewertet. Die experimentellen Untersuchungen zur Aerodynamik und Akustik erfolgen an einem Kammerprüfstand nach DIN EN ISO 5801 bzw. mithilfe der Kanal-Methode DIN EN ISO 5136. Für die numerischen Strömungssimulationen werden die instationären Reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen genutzt. Die Untersuchungen zeigen eine deutlich verbesserte aerodynamische Leistungsfähigkeit des Optimierungsmodells mit dem Ziel des hohen Wirkungsgrades und bestätigen damit den vom Algorithmus berechneten Trend. Der untersuchte Lösungskandidat mit dem Ziel der geringen Schallabstrahlung weist ebenfalls gute aerodynamische Eigenschaften im Hinblick auf den Wirkungsgrad auf und erfüllt die spezifizierte Vorgabe einer möglichst konstanten Leistungscharakteristik im Vergleich zum Referenzmodell. Die Ergebnisse der akustischen Messungen weichen dagegen vom numerisch berechneten Trend ab. So zeigt der Wirkungsgrad-optimierte Ventilator über weite Frequenzbereiche sowie bei der charakteristischen Blattfolgefrequenz die geringsten Schallleistungspegel der drei untersuchten Ventilatoren. Der Geräusch-optimierte Ventilator, welcher nach numerischer Berechnung einen mess- und hörbar geringeren Schallleistungspegel aufweisen soll, zeigt dagegen deutlich erhöhte Pegel. Die Simulationen verdeutlichen, dass die Interaktion der Rotorströmung mit verschiedenen Statorelementen, insbesondere dem Spiralgehäuse sowie der Einlaufdüse, wesentlichen Einfluss auf die untersuchten Eigenschaften hat. Da beim direkten Ansatz keine Strömungssimulationen als Teil der Optimierung durchgeführt werden, können die Rotor-Stator-Interaktion und die daraus folgenden Effekte nur begrenzt berücksichtigt werden. Die Erkenntnisse der Arbeit legen nah, dass für Ventilatortypen, bei denen die Interaktion mit Statorelementen von entscheidender Bedeutung für die aerodynamischen und akustischen Eigenschaften ist, daher ein indirekter Optimierungsansatz zu favorisieren ist.

Author dc:creator

• Eisenmenger, Chris

Advisors dc:contributor.advisor

• Thamsen, Paul Uwe
• Frank, Stefan

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-14881

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/16107