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Primäre Lärmreduktion an Ventilatoren

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Primäre Lärmreduktion an Ventilatoren

BMWi INNO-KOM-Ost

Dr.-Ing. Ralph Krause

+49-351-4081-5318

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...mit numerischen und experimentellen Methoden an einem gegenläufigen Axialventilator

Überblick zum Forschungsvorhaben

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines lärmreduzierten Laufradpaares für einen kompakten gegenläufigen Axialventilator. Durch diese primäre Lärmreduktion bleibt die sehr hohe Leistungsdichte dieser Bauart von Turbomaschinen auch bei akustisch anspruchsvollen Einsatzbedingungen erhalten. Die Lärmreduktion erfolgt durch eine besondere Gestaltung sowohl der Ventilatorschaufeln als auch der in der Strömung befindlichen Verstrebungen. Als Potential für die Lärmreduktion sollen zum einen die Reduktion des

spezifischen Schallleistungspegels und zum anderen die Verbesserung der
psychoakustischen Parameter

erschlossen werden.

Möglichkeiten zur Schaufelgestaltung am Axialventilator

Entstehung von Lärm

In Anlehnung an Bommes (1994) und Carolus (2013) kann die Entstehung des Ventilatorslärmes nach der folgenden Abbildung systematisiert werden.

Übersicht zur Entstehung von Ventilatorlärm (grün: vordergründige Quellen für die Entstehung von Lärm an Axialventilatoren)

Für die Entstehung von Schall sind in erster Linie die durch instationäre Schaufelkräfte hervor-gerufenen Druckschwankungen interessant. Alle weiteren Ursachen (Sekundärquellen, Tertiärquellen und stationäre Schaufelkräfte) haben bei Ventilatoren einen untergeordneten Anteil bzw. liegen außerhalb der strömungsmechanischen Beeinflussbarkeit.

Vermeidung von Lärm

In Anbetracht der akustischen Quellen können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, die Lärmentstehung an Ventilatoren zu reduzieren. Im Ergebnis der Abbildung 2 zeigt sich, dass sich bei der Reduktion von aerodynamisch erzeugtem Lärm folgende Quellen betrachtet werden müssen:

Vorderkantenschall
Hinterkantenschall
Instabilitätswellen
Periodische Wirbelablösung
Großskalige Ablösungen
Turbulente Grenzschicht
Randwirbel

Zielparameter

Ziel des Forschungsvorhabens sind lärmreduzierende Maßnahmen sowohl technischer als auch physioakustischer Art an einem gegenläufigen Axialventilator unter Beibehaltung der hohen Leistungsdichte. Das Gesamtpotential wird im Auslegungspunkt auf mindestens

10 dB Lärmreduktion

abgeschätzt (technisches und psychoakustisches Potential).

Parameter	Ausgang	Ziel (Reduktion)
Schallleistungspegel (spezifisch)	43 dB	-5..-7 dB
Psychoakustik	keine Werte vorhanden	Abschätzung -3..-5 dB

Lösungsansatz

Das Potential zur Lärmreduktion setzt sich aus den beiden folgenden Punkten zusammen:

Reduktion des spezifischen Schallleistungspegel und
Verbesserung der psychoakustischen Parameter

Wesentlich bei allen zu untersuchenden Maßnahmen ist, dass es sich um Sekundärmaßnahmen handelt, um die hohe Leistungsdichte des gegenläufigen Axialventilators beizubehalten. Im Forschungsvorhaben werden die folgenden konkreten Lösungsansätze zur Lärmreduktion untersucht, wobei vorzugsweise die Optimierung an der Schaufelvorderkante des zweiten Laufrades erfolgt:

Verwendung von gezahnten Hinterkanten am vorderen Laufrad
Verwendung von sinusoidalen Strukturen an der Vorderkante des hinteren Laufrades
Verwendung poröser Strukturen am vorderen Laufrad
Verwendung von gezahnten Hinterkanten an den vorderen Streben
Verwendung sinusoidaler Strukturen an den Vorderkanten der hinteren Streben
Verwendung von porösen Elementen im Gehäuse zur Reduktion des Randwirbellärmes

Primäre Maßnahmen zur Lärmminderung an dem gegenläufigen Axialventilator

Zur Untersuchung der Lösungsansätze werden die folgenden Werkzeuge eingesetzt:

Numerische Modellierung	Die grundlegende Schwierigkeit bei der numerischen Simulation besteht in der limitierten Anzahl der Gitterpunkte zur räumlichen Auflösung der Schaufel-/ Ventilatorgeometrie. Aus diesem Grunde erfolgen in dem Projekt Simulationen mit zunehmender Komplexität der Geometrie, wobei aus jeder Stufe entsprechendes Optimierungspotential abgeleitet werden kann. Die Simulation der Strömung erfolgt mit RANS-, URANS- und LES-Modellen in zwei verschiedenen Simulationscodes, OpenFOAM und FLUENT.
Akustische Modellierung	Ein wichtiger Aspekt für die Ausprägung des akustischen Verhaltens an dem gegen¬läufigen Axialventilator ist sowohl die Interaktion der Schaufeln zwischen vorderen und hinteren Laufrad als auch die Interaktion von rotierenden und stehenden Bauteilen. Akustik- Modellierungsansätze in Kopplung mit skalenauflösenden Turbulenzmodellen werden hinsichtlich ihrer Anwendungsmöglichkeiten getestet und eingesetzt. Auswahlkriterium sind u.a. der numerische Aufwand, die Rechengenauigkeit und der Implementierungsaufwand. Die Simulationsmodelle werden auf eine einzelne, feststehende Ventilatorschaufel mit unterschiedlicher Gestaltung von Vorder- und Hinterkante und auch auf relativ zueinander bewegte Schaufelpaare angewendet. Gegenstand der Untersuchungen ist z.B. der Einfluss der instationären Nachläufe beim Übergang zwischen den beiden Laufrädern auf die Schallerzeugung.
Experimentelle Untersuchungen	Bestimmung der Strömungsfelder an den Laufrädern mit laseroptischen Messverfahren (PIV) Für die Messungen wird ein laseroptisches Verfahren (Particle-Image-Velocimetry) eingesetzt. Dieses erlaubt die Bestimmung der Geschwindigkeitsfelder in einem strömenden Fluid. Dieses Verfahren basiert auf der Messung des Verschiebungsvektors von den in das Fluid eingebrachten Partikeln. Bestimmung der Schallleistungspegel im Hallraum nach genormten Verfahren und Bestimmung der Orte der Geräuschentstehung mittels akustischer Kamera Die Messungen im Hallraum nach genormten Verfahren dienen der Herstellung der Vergleichbarkeit mit Angaben aus der Literatur. Darüber hinaus lassen sich im Hallraum auf Grund der hohen Messgenauigkeit kleinste akustische Veränderungen reproduzierbar bestimmen. Nachteil der Hallraummessungen ist jedoch, dass keine Selektion einzelner Schallquellen und keine Richtcharakteristik der Quelle bestimmt werden können. Zeitliche Veränderungen der Schallquelle lassen sich ebenfalls nicht darstellen. Zur Bestimmung und Bewertung einzelner Schallquellen einschließlich der zeitlichen Verläufe wird eine akustische Kamera eingesetzt.

Numerische Modellierung

Die grundlegende Schwierigkeit bei der numerischen Simulation besteht in der limitierten Anzahl der Gitterpunkte zur räumlichen Auflösung der Schaufel-/ Ventilatorgeometrie. Aus diesem Grunde erfolgen in dem Projekt Simulationen mit zunehmender Komplexität der Geometrie, wobei aus jeder Stufe entsprechendes Optimierungspotential abgeleitet werden kann. Die Simulation der Strömung erfolgt mit RANS-, URANS- und LES-Modellen in zwei verschiedenen Simulationscodes, OpenFOAM und FLUENT.

Akustische Modellierung

Ein wichtiger Aspekt für die Ausprägung des akustischen Verhaltens an dem gegen¬läufigen Axialventilator ist sowohl die Interaktion der Schaufeln zwischen vorderen und hinteren Laufrad als auch die Interaktion von rotierenden und stehenden Bauteilen. Akustik- Modellierungsansätze in Kopplung mit skalenauflösenden Turbulenzmodellen werden hinsichtlich ihrer Anwendungsmöglichkeiten getestet und eingesetzt. Auswahlkriterium sind u.a. der numerische Aufwand, die Rechengenauigkeit und der Implementierungsaufwand. Die Simulationsmodelle werden auf eine einzelne, feststehende Ventilatorschaufel mit unterschiedlicher Gestaltung von Vorder- und Hinterkante und auch auf relativ zueinander bewegte Schaufelpaare angewendet. Gegenstand der Untersuchungen ist z.B. der Einfluss der instationären Nachläufe beim Übergang zwischen den beiden Laufrädern auf die Schallerzeugung.

Experimentelle Untersuchungen

Bestimmung der Strömungsfelder an den Laufrädern mit laseroptischen Messverfahren (PIV)

Für die Messungen wird ein laseroptisches Verfahren (Particle-Image-Velocimetry) eingesetzt. Dieses erlaubt die Bestimmung der Geschwindigkeitsfelder in einem strömenden Fluid. Dieses Verfahren basiert auf der Messung des Verschiebungsvektors von den in das Fluid eingebrachten Partikeln.

Bestimmung der Schallleistungspegel im Hallraum nach genormten Verfahren und Bestimmung der Orte der Geräuschentstehung mittels akustischer Kamera

Die Messungen im Hallraum nach genormten Verfahren dienen der Herstellung der Vergleichbarkeit mit Angaben aus der Literatur. Darüber hinaus lassen sich im Hallraum auf Grund der hohen Messgenauigkeit kleinste akustische Veränderungen reproduzierbar bestimmen. Nachteil der Hallraummessungen ist jedoch, dass keine Selektion einzelner Schallquellen und keine Richtcharakteristik der Quelle bestimmt werden können. Zeitliche Veränderungen der Schallquelle lassen sich ebenfalls nicht darstellen. Zur Bestimmung und Bewertung einzelner Schallquellen einschließlich der zeitlichen Verläufe wird eine akustische Kamera eingesetzt.

Kooperationspartner

Wenn Sie Interesse an unseren Forschungsarbeiten haben, dann treten Sie bitte mit uns in Kontakt.

Publikationen

Kercher M, Heimann J, Puhl C, Oeckel K, Friebe C and Krause R (2018), "Application of Rotational Beamforming Algorithms on fast Rotating Sound Sources", 7th Berlin Beamforming Conference 2018.

Kerscher M, Heilmann G, C.Puhle, Krause R and Friebe C (2017), "Sound Source Localization on a Fast Rotating Using Beamforming,the 46th International Congress and Exposition on Noise Control Engineering, Hong Kong, China", INTER-NOISE , HONG KONG. , pp. 626 (1-8).

Krause R, Friebe C, Kerscher M and Puhle C (2018), "INVESTIGATIONS ON NOISE SOURCES ON A CONTRA-ROTATING AXIAL FAN WITH DIFFERENT MODIFICATIONS", FAN 2018; International Conference on Fan Noise, Aerodynamcis, Applications and Systems, 18. – 20. 04. 2018, Darmstadt, Germany. , pp. 1-12.

Krause, R. and Friebe, C. and Kerscher, M. and Puhle, C., "Primäre Lärmreduktion an einem gegenläufigen Axialventilator", 25. INTERDISZIPLINÄRE WISSENSCHAFTLICHE KONFERENZ MITTWEIDA, Workshop Moderne Methoden der Lärmminderung an Fahrzeugen , Verkehrswegen und Industrieanlagen, 25. Okt 2018,Lärmminderung an lufttechnischen Anlagen, 2018

Krause R, Friebe C, Kerscher M and Puhle C (2019), "Investigations on noise sources on a contra-rotating axial fan with different modifications", CLIMA 2019 REHVA 13th HVAC World Congress 26-29 May, Bucharest, Romania

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