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

Eisenmenger, Chris

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.
Centrifugal fans with backward-curved blades are used in a wide range of heating, ventilation and air conditioning industry. Their main advantage over axial fans is the higher achievable pressure rise with usually lower volumetric flow rates. Compared to centrifugal fans with forward-curved blades, also referred to as squirrel cage or Sirocco fans, the achievable peak efficiencies with backward-curved blades are higher due to less flow induced losses within the rotor. However, the louder operating noise, which is often perceived as more unpleasant than it is the case with Sirocco fans, proves to be disadvantageous. Due to the increasing awareness of energy saving and comfort among users of household appliances and other areas of fan applications, the optimization of the aerodynamic and aeroacoustic properties of fans offers a broad field of research. In this thesis, the inverse design approach is used together with an evolutionary algorithm in a direct optimization strategy to improve the efficiency and the operating noise of a centrifugal fan with backward-curved blades. The possibilities and effects of the method on the blade geometry should be evaluated without having to carry out time-consuming simulations as part of the optimization process. The results of the optimizations are then examined and evaluated in the form of physical prototypes and numerical models for two selected solution candidates as well as a reference fan. The experimental investigations on aerodynamics and acoustics are carried out on a chamber test rig in accordance with ISO 5801 and with the in-duct method according to ISO 5136. The transient Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are used for the numerical flow simulations. The investigations show a significantly improved aerodynamic performance of the optimization model with the aim of high efficiency and thus confirm the trend calculated by the evolutionary algorithm. The examined solution candidate with the aim of low sound radiation also shows good aerodynamic properties with regard to the efficiency and fulfils the specified requirement of a performance characteristic that is as constant as possible in comparison to the reference model. In contrast, the results of the acoustic measurements deviate from the numerically predicted trend. The efficiency-optimized fan shows the lowest sound power level of the three tested fans over wide frequency ranges as well as at the characteristic blade passing frequency. The noise-optimized fan, which, according to numerical calculations, should have a measurably and audibly lower sound power level, on the other hand, shows significantly higher levels. The numerical simulations show that the interaction of the rotor flow with various stator elements, in particular the volute casing and the inlet nozzle, has a significant influence on the properties investigated in this thesis. Since no flow simulations are carried out as part of the optimization with the direct approach, the rotor-stator interaction and the resulting effects can only be taken into account to a very limited extent. The findings of the thesis suggest that for fan types in which the interaction with stator elements is of decisive importance for the aerodynamic and acoustic properties, an indirect optimization approach should be favoured.