Zweifach gekrümmte Schaufeln mit Anpassung der gesamten Schaufelfläche an die Strömungsverhältnisse sind von geräuscharmen Pumpen und Verdichtern bekannt. Die zugrundeliegende Physik ist auch auf Radiallüfter übertragbar und interessant für alle, die sich mit dem Phänomen Geräusche durch Luftströmung befassen müssen.
Autoren: Dr.-Ing. Jürgen Schöne und Dipl.-Ing. Reinhard Stillger; Produktentwicklung Strömungstechnik ebm Werke GmbH & Co., Mulfingen
Technischer Hintergrund
Einen aufgeschnittenen Lüfter mit rückwärtsgekrümmtem Radialrad und elektronisch kommutierten Gleichstrommotor in Außenläuferbauweise zeigt Bild 2. Das auf dem außen angeordneten Rotor befestigte Laufrad besteht aus einer Bodenscheibe, den Schaufeln und der Deckscheibe.
Zur Optimierung des Radiallaufrades bezüglich Geräusch, Wirkungsgrad und Bauvolumen bei maximaler Luftleistung ist die Kenntnis der Durchströmung des Laufrades erforderlich (Bild 3).
Betrachtet man die Stromlinien im Meridianschnitt AB, so erkennt man eine deutliche Änderung von Weglänge und Richtung der Stromlinien in Abhängigkeit von der Laufradhöhe. Dargestellt sind die Tangentialvektoren der Stromli-nien in den Meridianschnittpunkten. Hieraus lässt sich ableiten, dass die Schaufel über der Höhe diesen Bedingungen angepasst werden muss, um eine optimale, d.h. verlust- und geräuscharme Laufraddurchströmung zu erreichen.
Bei klassischen rückwärtsgekrümmten Radialrädern – mit einfach zu fertigenden Schaufeln und konstanten geometrischen Verhältnissen über der Schaufelhöhe – werden aber genau diese Effekte vernachlässigt. Eine Verbesserung der klassischen Räder durch Anpassung der gesamten Schaufelfläche an die Strömungsverhältnisse führt zu zweifach gekrümmten Schaufeln, die sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung, also über die Höhe, gekrümmt sind. Dabei wird die Krümmung in beide Richtungen variieren.
Auslegung zweifach gekrümmter Radial-lüfterschaufeln
Bei der Auslegung zweifach gekrümmter Radiallüfterschaufeln wird zunächst im Meridianschnitt das Laufrad in mehrere sogenannte Teilflut-räder aufgeteilt, für diese Teilfluträder entlang dem angenommenen Strömungsverlauf die kinematischen Strömungsbedingungen ermittelt, in ein lokales Schaufelelement und dann in Schaufelstreifen für ein Teilflutrad umgesetzt.
Setzt man die Schaufelstreifen für alle Teilfluträder zusammen, erhält man die komplette Schaufel, die entsprechend der notwendigen Anzahl auf dem Umfang des Radialrades verteilt wird. Bild 4 zeigt die räumliche Ansicht von sechs Einzelschaufeln.
Nach Vorliegen der Schaufelgeometrie kann das komplette Laufrad unter Beachtung weiterer Anforderungen (z.B. Festigkeitsanforderungen, Klimafestigkeit, Fertigbarkeit Herstellkosten) konstruktiv festgelegt werden (Bild1).
Laufrad-Erprobung und Luftleistungsmessung
Nach der Auslegung wird das Laufrad über die Zwischenschritte 3D-CAD und Rapid-Prototype-Verfahren als Muster aufgebaut.
Dieses ist bezüglich Luftleistung, Geräuschabstrahlung, Festigkeit usw. zu überprüfen. Werden dabei die Zielwerte nicht erreicht, sind Modifikationen am Muster durchzuführen und zu erproben. Ist das nicht erfolgreich, wird der komplette Auslegungszyklus erneut durchlaufen.
Die Ermittlung der Luftleistung erfolgt in einem Kammerprüfstand nach DIN24163. Dabei sind die zwei wesentlichen Messgrößen der Volumenstrom, der durch den Ventilator gefördert wird und der Gegendruck, gegen den dieser Volumenstrom transportiert wird. Beide Messgrößen lassen sich mit einer Genauigkeit besser als 61% bestimmen.
Neben diesen lufttechnischen Werten werden am Prüfling die Drehzahl, die elektrischen Werte und das Motordrehmoment ermittelt.
Ein Ergebnis Gegendruck über dem Volumenstrom für die Baugröße mit einem Laufraddurchmesser von 400 mm zeigt die obere Kennlinie in Bild 5. Aus dem Vergleich mit der unteren Kennlinie eines klassischen Rades mit einfacher Schaufelkrümmung ergibt sich, dass die Luftleistung des klassischen Rades mit dem Laufrad mit zweifach gekrümmten Schaufeln voll erfüllt wurde.
Geräusch-abstrahlung
Die Messung der Geräuschabstrahlung erfolgt in einem reflexionsarmen Raum mit schallhartem Boden. Am Lüfter wird dafür der Betriebspunkt durch eine Drosselvorrichtung eingestellt, der Schalldruck im Ansaugbereich des Rades in einem Meter Entfernung über ein Mikrofon gemessen und über einen Spektrumanalysator in ein Frequenzspektrum bzw. in ein Terz- oder Oktavspektrum umgerechnet.
Den geräuschtechnischen Vergleich der beiden in Bild 5 zugrundliegenden Laufräder zeigt Bild 6:
Die zweifach gekrümmten Schaufeln führen zu einem Rückgang der Geräuschpegel in den Terzbändern kleiner Frequenz bis zu 8 dB. Gerade diese niedrigen Frequenzen stellen bei vielen Anwendungen ein großes Problem dar, weil sie sich nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand dämpfen lassen.
Ausführliche Informationen
ebm Standardkatalog
Lüfter/Ventilatoren
KEM 557
Internet
Niedriger Geräuschpegel mit hoher Priorität
In der Lüftungstechnik werden Axiallüfter für hohe Volumenströme und niedrige Gegendrücke, Radialräder für kleine Fördermengen und hohe Gegendrücke verwendet. Dabei reicht der Einsatz von Gebläsen mit rückwärtsgekrümmten Radialrädern von Klima- und Wärmepumpengeräten, Be- und Entlüftungsanlagen, Dachlüftern über Schaltschrankbelüftung bis zu Haushaltsgeräten. Niedrigster Geräuschpegel hat dabei hohe Priorität und ist vielfach wichtiger als maximaler Wirkungsgrad bzw. minimale Leistungsaufnahme und minimales Bauvolumen bei maximaler Luftleistung.
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