Lüfter werden oft nach rein geometrischen Kriterien ausgewählt. Anschließend verändert man die Drehzahl solange, bis die benötigte Luftleistung erreicht wird. Je nach Einbausituation, Form und Antriebsart des Lüfters können sich dabei erhebliche Geräuschemissionen einstellen. Unterschiedliche Lüfter gleichen Systems beziehungsweise gleiche Lüfter in unterschiedlichen Applikationen verhalten sich jeweils akustisch verschieden. Um möglichst viele Anwendungen abzudecken, sollen Lüfter insgesamt ein geringes Geräusch haben und unempfindlich sein gegen geometrische �?nderungen der Einbausituation. Im ersten Schritt wird eine aerodynamische Auslegung gewählt, die ähnliche Luftleistungen wie die existierende Generation ermöglichen soll, aber bei deutlich niedrigeren Drehzahlen. Danach wird die Grundform weiter optimiert mit dem Ziel, möglichst breite Betriebsbereiche mit niedrigem Geräusch zu erhalten.
Betriebsbereich festlegen
Die Auslegung eines Lüfters beginnt mit der Definition des bevorzugten Betriebsbereiches, also dem Spektrum möglicher Applikationen, in denen dieser Lüfter bevorzugt eingesetzt werden soll. Luftführende Systeme können im Druck-Volumenstrom-Diagramm als Widerstandsparabeln (Systemimpedanzen) dargestellt werden. Soll mehr Luft gefördert werden, steigt der Gegendruck quadratisch an. Die Förderung übernehmen Lüfter, die so ausgelegt sind, dass idealerweise der Punkt besten Wirkungsgrades auf der Systemimpedanz liegt. Zur Strömungssimulation werden die Navier-Stokes-Gleichungen für inkompressible Strömungen numerisch gelöst, die akustischen Größen bestimmt man mit Hilfe der Lattice-Boltzmann Gleichungen. Die aerodynamische Gestaltung von Kompaktlüftern mit Hilfe moderner Strömungsberechnungsmethoden ist zum Beispiel in [2] detailliert beschrieben. Mit steigender Drehzahl verschiebt sich die Lüfterkurve entlang der Systemimpedanz, die Form der Charakteristik verändert sich dabei nicht. Links des optimalen Betriebspunktes reißt die Strömung auf den Blättern ab, der Wirkungsgrad sinkt und die aerodynamisch verursachten Geräuschemissionen steigen an. Abbildung 1 zeigt Kennlinien dreier unterschiedlicher Lüfter mit identischen äußeren Abmessungen. Alle Lüfter besitzen fünf Rotorblätter und wurden für ähnliche Maximaldrücke ausgelegt. Der bevorzugte Arbeitsbereich jedes Lüfters liegt auf oder rechts der jeweiligen Systemimpedanz. Während Lüfter 3 für höhere Volumenströme ausgelegt ist, heben Lüfter 1 und Lüfter 2 ähnliche Leistungskennlinien. Lüfter 1 benötigt aber 30 Prozent mehr Drehzahl als die beiden anderen Ventilatoren. Nach [1] wird die Gesamtschallemission eines Ventilators beeinflusst vom inneren und äußeren turbulenten Strömungsfeld, von Bauform und Größe des Lüfters sowie von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors. Demnach sind langsam drehende Lüfter tendenziell leiser als schnell drehende. Damit der Lüfter bei niedrigerer Drehzahl die gleiche Luftleistung erreicht, muss man die Beschaufelung für höhere aerodynamische Belastungen auslegen, was sich nachteilig auf das Strömungsfeld und damit auf die akustischen Eigenschaften auswirken kann. Um dem entgegen zu wirken, werden nach dem prinzipiellen aerodynamischen Design einzelne aerodynamische Komponenten des Lüfters auf geringe Schallemissionen hin optimiert. Abbildung 2 zeigt die Schallleistungen von Lüfter 1 und 2, wenn man die Drehzahl von Lüfter 2 so verändert, dass er dieselbe Luftleistungscharakteristik wie Lüfter 1 erreicht. Die Unterschiede im rechten Bereich der Kennlinie betragen bis zu 10 dB. Aus den Schallleistungsspektren im akustischen Optimum von Lüfter 2 erkennt man, dass Lüfter 2 einen deutlich verminderten Drehklanganteil hat ebenso wie verminderte Rauschanteile im höheren Frequenzspektrum. Speziell der Drehklang wird bei Axiallüftern als störend wahrgenommen. Die Frequenz des Drehklanges berechnet sich aus der Anzahl der Rotorblätter und der Drehzahl. Da beide Lüfter fünf Rotorblätter besitzen, liegt der Drehton von Lüfter 2 etwas niedriger als der von Lüfter 1. Durch Neugestaltung des gesamten Lüfters (Rotorblätter, Leitstege, Luftführung im Gehäuse) lassen sich sowohl Drehton als auch höherfrequenten Geräuschanteile verringern. Die höherfrequenten Anteile des Geräuschspektrums lassen sich durch geeignete Maßnahmen am Rotorblatt reduzieren. Dazu gehören Winglets an den Blattspitzen, zur Beeinflussung des Blattspitzenwirbels, und Abrisskanten auf der Saugseite der Blätter, die die turbulente Strömung entlang der Blätter verändern (Abbildung 3).
Aerodynamische Auslegung
Winglets beeinflussen das Verhalten des Blattspitzenwirbels, der durch die Rotation und den Druckunterschied zwischen Schaufelsaug- und -druckseite gebildet wird. Steigt der aerodynamische Wirkungsgrad der einzelnen Schaufel durch verbesserte Strömung, kann die Drehzahl gesenkt werden und somit verbessert sich die Geräuschentwicklung. Wird die Dynamik des Blattspitzenwirbels verändert, verändert sich auch dessen Geräuschverhalten. Die Gestaltung der Abrisskante auf der Saugseite des Lüfterblattes verändert die Position, an der die Strömung ablöst, ein Effekt, der sich sowohl im Wirkungsgrad als auch akustisch bemerkbar macht. Die Gestaltung von Winglets und Abrisskanten, wie auch die aller anderen Strömungskomponenten ist Bestandteil der aerodynamischen Auslegung. So lassen sich optimale Ergebnisse erzielen, allerdings muss man für jeden Lüftertyp das Optimum neu finden. Dabei unterstützen computerbasierte Optimierungsalgorithmen diesen Prozess. Jeder Punkt im Diagramm entspricht einer Lüftergeometrie, die Werte werden jeweils für den Auslegepunkt ermittelt. Es bildet sich eine Paretofront aus, entlang der die Optima von Schalldruck und aerodynamischen Wirkungsgrad verteilt sind. Die Schallemission von Axiallüftern wächst mit steigender aerodynamischer Belastung (ausgedrückt durch den aerodynamischen Wirkungsgrad) an. Ob dies verallgemeinert werden kann, muss man in weiteren Untersuchungen klären, da alle generierten Geometrien unterschiedliche Luftleistungskurven haben, bei denen nur der Designpunkt gleich ist. Im nächsten Schritt werden Prototypenmuster aufgebaut, akustisch und aerodynamisch vermessen und die Ergebnisse mit den Vorhersagen verglichen. Die akustische Berechnung wurde durchgeführt mit einem neuen Lattice-Boltzmann-Verfahren [4], bei dem man im vorliegenden Fall der Frequenzbereich auf 5 kHz beschränkt hat, um Rechenzeit zu sparen.Die Ergebnisse von Simulation und Experiment stimmen sehr gut überein. Die Form des Frequenzverlaufs wird gut getroffen und die einzelnen Amplituden weichen nur um wenige Dezibel ab. Nur im unteren Frequenzbereich treten Abweichungen auf, die auf die Unwucht des manuell gewuchteten Testmusters zurückzuführen sind. Wie aus Abbildung 3 ersichtlich, hängt die Schallleistung eines Lüfters ab vom Betriebspunkt, also vom Gegendruck und der Luftmenge, die von der Anwendung beansprucht werden. Zudem beeinflussen die lokalen Zuströmgegebenheiten die Akustik des Gesamtsystems. So lässt sich zum Beispiel bei einem Lüfter mit geringem Drehton bei idealen Bedingungen, der Drehton durch ungünstige Einbaubedingungen verstärken [5]. Bilden sich unmittelbar vor dem Einlauf eine nicht-uniforme Strömung aus (zum Beispiel durch Einbauten, an denen sich Strömungswirbel bilden, die auf das Laufrad treffen), entstehen Drehtöne. Durch geeignete Strömungsführung oder durch Einsatz von Gittern, die diese kohärenten Strukturen aufbrechen und eine homogenere turbulente Zuströmung schaffen können, kann man diesen Effekt verringern.
Literaturverzeichnis
[1] L. Bommes, J. Fricke, K. Klaes, Ventilatoren, Vulkan Verlag, 2002 [2] M.B. Schmitz, G. Eimer and H. Schmid. Design and Test of a Small High Performance Diagonal Fan. Proceedings of ASME Turbo Expo 2011, Vancouver, Canada [3] M. Stadler, M.B. Schmitz, P. Ragg, D.M. Holman and R. Brionnaud, Aeroacoustic Optimization for Axial Fans with the Lattice-Boltzmann Method, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2012, Copenhagen, Denmark [4] M. Stadler, M.B. Schmitz, W. Laufer, P. Ragg, Inverse Aeroacoustic Design of Axial Fans Using Genetic Optimization and the Lattice-Boltzmann Method, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2013, St. Antonio, USA [5] M. Sturm, T. Carolus, Large Scale Inflow Distortions as a Source Mechanism for Discrete Frequency Sound from Isolated Axial Fans, Proceedings of AIAA Aeroacoustics 2013, Berlin, Germany
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