Beim Motoren- und Ventilatorenhersteller ebm-papst gehören fortschrittliche numerische Simulationswerkzeuge zur Berechnung der Strömungsmechanik zum Entwicklungsalltag. Seit vielen Jahren arbeiten die Ingenieure bei der Entwicklung ihrer Ventilatoren mit leistungsfähigen CFD-Tools, nicht nur bei der Optimierung komplexer Laufradgeometrien, sondern auch bei Kühlkonzepten für Motor und Elektronik oder im Rahmen akustischer Untersuchungen zum Geräuschverhalten. Auch Kunden können von diesem umfangreichen Knowhow profitieren, wenn sie sich in der strömungstechnischen Entwicklung ihrer eigenen Endgeräte, in denen ebm-papst Ventilatoren eingesetzt werden sollen, unterstützen lassen.
RadiCal 2: Hoher Volumenstrom und leiser Betrieb
Wie sich solche strömungstechnischen Optimierungen in der Praxis auswirken, zeigt die Baureihe RadiCal 2. Die kompakten Radialventilatoren wurden so ausgelegt, dass sie große Volumenströme bei niedrigem Gegendruck liefern und dabei möglichst energieeffizient und leise arbeiten (Bild 1). Dazu tragen gleich mehrere konstruktive Details bei: So wurde eine „verwundene“ Schaufelgeometrie realisiert, die zu einem deutlich höheren Wirkungsgrad und zur Geräuschreduzierung beiträgt. Nicht nur die Schaufelform, sondern auch das Profil der Ein- und Austrittskante wurde überarbeitet. Dadurch verbessert sich das Strömungsverhalten, gleichzeitig erhöht sich die Festigkeit des Ventilatorrads, das aus widerstandfähigem Kunststoff besteht.
Die gewellte Deckscheibe verbessert ebenfalls das aerodynamische Verhalten und damit die Luftleistung. Beim sogenannten Radialmodul, also der Gehäusebox, erhöhen die schräg angestellten Streben die Luftleistung weiter. Dabei ist die axiale Höhe der Streben so gewählt, dass sie die Rückstromgebiete bestmöglich ausfüllen. Hinzu kommt ein vergrößerter Ansaugdurchmesser, der für einen höheren Füllgrad des Laufrads sorgt.
Auch das optimierte Vorleitgitter FlowGrid trägt zur Lärmvermeidung bei. Es macht gegenüber der früheren Serien-Ausführung nicht nur bei saugseitiger Störung, sondern grundsätzlich den Ventilator mindestens zwischen 1 und 3 dB(A) leiser. Da der Rotorbereich einen großen Einfluss auf die Geräuschentwicklung hatte, bekam das Vorleitgitter zusätzlich über den Bereich des Motors eine Kappe. Dadurch ließ sich vor allem der störende Drehklang im niedrigeren Frequenzbereich deutlich reduzieren. Hinsichtlich des Umweltfaktors „Lärm“ erfüllen die Ventilatoren damit höchste Anforderungen.
Luftleitmodule erhöhen den Wirkungsgrad
Die speziell für den Einsatz in Klima- und Raumluftgeräten konzipierten Radialventilatoren der RadiPac Baureihe wurden in den letzten Jahren stetig optimiert. Höhere Drehzahlen sorgen für mehr Volumenstrom und höhere Drücke, sodass sich selbst Anwendungen abdecken lassen, die über 2000 Pa statischer Druckerhöhung liegen. (Bild 2) Außerdem ist die Geräuschentwicklung weiter gesunken; abhängig vom Betriebspunkt liegt die Schallpegelreduzierung zwischen 3 bis 7 dB(A) im Vergleich zur Vorgängerbaureihe.
Spezielle Luftleitmodule erhöhen den Wirkungsgrad noch einmal um bis zu fünf Prozent (Bild 3). Dies wird durch die Reduktion der Austrittsverluste erreicht. Dazu hat ebm-papst für den RadiPac ein Gehäuse entwickelt, das aus vier Segmenten besteht. Die Modulsegmente sind aus verzinktem Stahlblech gefertigt und aerodynamisch geformt. Diese besondere Formgebung verzögert die Durchströmung, wodurch der dynamische Druckanteil sinkt und sich der nutzbare statische Druckanteil erhöht (Bild 4). Beim gleichen Betriebspunkt können die Ventilatoren mit niedrigerer Drehzahl laufen, was sich wiederum in geringerem Energieverbrauch und geringeren Schallemissionen auswirkt. Der RadiPac C Perform besitzt exakt das gleiche Befestigungs-Lochbild wie der Marktstandard. So ist ein problemloser Umstieg möglich.
Mit CFD-Simulation zum optimalen Ventilatoren-Einsatz
Damit die Ventilatoren ihre Stärken wirklich ausspielen können, darf es nach dem Einbau in den luft- und klimatechnischen Geräten nicht zu ungünstigen Wechselwirkungen kommen. Empfehlenswert ist es deshalb, die Einbausituation bereits in den frühen Entwicklungsphasen eines Kundengeräts strömungstechnisch zu simulieren. Energieverbrauch und Geräusch eines Ventilators können sich deutlich verändern, je nachdem wie das Gehäuse die Durchströmung begünstigt, ob beispielsweise axial von vorne angesaugt wird, radial von allen Seiten oder einseitig. In schlechten Fällen kann sich dadurch die Leistungsaufnahme durchaus verdoppeln, bzw. der Wirkungsgrad halbieren und auch der Geräuschpegel signifikant erhöhen. Dabei hilft CFD die strömungstechnischen Gegebenheiten im Gerät zu verstehen (Bild 5).
Bevor mit der Simulation begonnen wird, sollte zunächst das Ziel definiert und einige Fragen beantwortet werden. Muss ein Wärmetauscher möglichst gleichmäßig durchströmt werden? Soll die Simulation Druckverluste aufspüren? Möchte der Kunde generell die Auswahl des Ventilators überprüfen? Soll das Gerät, in dem der Ventilator arbeitet, möglichst leise sein? Ist die Zielsetzung geklärt, liefern die 3D-CAD-Daten und der zu erwartende Betriebspunkt (Druck, Volumenstrom, Drehzahl) des Ventilators die Basis für die Simulation. Hinzu kommen Kennlinien beispielsweise von den im Gerät verbauten Filtern, Wärmetauschern oder Schutzgittern. Die Daten werden bereinigt und unnötige Details entfernt (Cleaning). Dann wird die Simulation im sogenannten Preprocessing vorbereitet. Das heißt, es werden bestimmte Randbedingungen vorgegeben und die Geometrien vernetzt. Die Netzstruktur unterteilt den durchströmten Raum in viele einzelne Zellen, auf deren Basis die mathematische Berechnung stattfindet. Die Simulationen laufen anschließend auf Hochleistungsrechnern.
Praxisbeispiele: Optimierungspotentiale nutzen
Anhand der Simulationsergebnisse schätzen die Ingenieur:innen dann die Optimierungspotentiale ab und erarbeiten konkrete Verbesserungsvorschläge. Ein Kunde entwickelte beispielsweise ein Luftreinigungsgerät, in dem der Ventilator drückend eingesetzt werden sollte. Die Simulation zeigte jedoch große Turbulenzen (Bild 6), wodurch sich die Leistungsaufnahme im Betriebspunkt erhöhte. Den Ventilator saugend einzusetzen, also seine Einbauposition zu verändern, erwies sich hier als hilfreich. Die Luftdurchströmung ist nun sehr gleichmäßig, die Leistungsaufnahme sinkt und wirkt sich gleichzeitig positiv auf das Betriebsgeräusch aus.
Bei einem Klimagerät zur Deckenmontage bewies die Simulation, dass es vorteilhaft ist, statt der sonst üblichen Axialventilatoren einen Radialventilator einzusetzen. Dies war zunächst kontraintuitiv, da der Arbeitspunkt des Geräts noch für einen Axialventilator sprach. Die Umstellung auf einen Radialventilator großen Durchmessers ermöglichte jedoch eine Luftführung gemäß der Bauart des Radialrads, wodurch keine zusätzliche Umlenkung mehr nötig war. Dies äußerte sich in einer Leistungseinsparung von über 70% bei einer Reduktion des Schalleistungspegel um 20 dB(A). Das Ausmaß der Druckverluste, die die Umlenkung der Luft hin zum seitlichen Ausblasen verursachte, wurde zuvor immer deutlich unterschätzt.
Mit CFD Potenziale finden und nutzen
Vorher
Nachher
Bild 6: Bei einem Luftreinigungsgerät ließ sich durch Änderung der Ventilatoreinbausituation die Durchströmung deutlich verbessern. Die Leistungsaufnahme sank und das Gerät arbeitet leiser. (Grafik | ebm-papst)
Ein weiteres Beispiel: Auch bei einer Wärmepumpe ließ sich mit Hilfe der Simulationsergebnisse die Effizienz deutlich verbessern. Dank geometrischer Änderungen sanken die Druckverluste im Gerät um insgesamt 17 Prozent. Dabei wurden einzelne Teilbereiche im Gerät jeweils getrennt bewertet und das Produktdesign entsprechend angepasst. Hier hat der Anwender ebenfalls von den Möglichkeiten der CFD Berechnung profitiert. Diese Beispiele zeigen, dass es sich für Endgerätehersteller lohnt, auf die numerische Strömungssimulation zu setzen, und diese schon im frühen Entwicklungsstadium anzuwenden, um nachträgliche Änderungskosten zu vermeiden. ebm-papst unterstützt hier mit seiner langjährigen CFD-Erfahrung und bietet solche Auswertungen und Berechnungen an, damit die Ventilatoren in der Anwendung so effizient wie möglich arbeiten. Bereits durch kleine Optimierungen der Einbausituation, können Druckverluste reduziert, die Effizienz erhöht oder Laufgeräusche minimiert werden.
Vorwärts-, rückwärtsgekrümmte Schaufeln bei Radialventilatoren
Radialventilatoren von ebm-papst gibt es mit vorwärts und rückwärts gekrümmten Schaufeln. Die geräuscharmen Radialventilatoren mit vorwärts gekrümmten Schaufeln werden auch mit Spiralgehäuse geliefert. Die Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln sind als Freiläufer konzipiert und benötigen kein Spiralgehäuse. Bei den Radialventilatoren mit Außenläufermotoren ist der Motor im Laufrad platziert, was neben der optimalen Kühlung des Motors auch eine besonders kompakte Bauweise ergibt. Das gesamte Programm gibt es sowohl in AC- als auch in EC-Technologie. Diese ist nicht nur besonders energiesparend, durch die integrierte Elektronik können auch beliebige Steuerungs-, Überwachungs- und Wartungsfunktionen realisiert werden, für das smarte Zuhause ebenso wie für Industrie 4.0.
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