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Die Formel für die Wirbelstärke

Für die Akustik eines Axialventilators ist die Wirbelstärke eine entscheidende Größe.


Oliver Haaf, Gruppenleiter Vor- und Funktionsentwicklung Strömungstechnik bei ebm-papst in Mulfingen

Die Rotation des Geschwindigkeitsfeldes ergibt sich als Kreuzprodukt des Vektors der Richtungsableitungen () und des Geschwindigkeitsvektors (v). Sie gibt an, wie schnell oder stark ein Wirbel im Strömungsfeld um sein Zentrum rotiert. Durch Änderungen der Geometrie des Flügels im Spaltbereich lässt sich die Wirbelstärke beeinflussen. Dabei steigt das Geräusch mit zunehmender Wirbelstärke.

Bei Axialventilatoren kommt es durch den Druckunterschied zwischen Druck- und Saugseite zur Überströmung der Ventilatorschaufeln im Spaltbereich der Gehäusewand. Die Strömung interagiert dort mit den Kanten, der Schaufeloberfläche und mit der umgebenden Gehäusewand. Es bilden sich Wirbel, die den Schallpegel um bis zu 10 dB erhöhen können.

Der Spaltabstand zwischen Schaufelspitze und Wandring hat einen großen Einfluss auf das Geräuschverhalten, wobei das Geräusch bei kleiner werdendem Spalt abnimmt.

Hier helfen Winglets weiter. Mit diesen definierten geometrischen Ausformungen an der Schaufelspitze können die Kopfspaltströmung und die sich dadurch bildenden Wirbel so beeinflusst werden, dass sich bei gegebenem Spalt eine deutliche Geräuschreduktion ergibt. Winglets können mit unterschiedlichen Geometrien den Wirbel beeinflussen. Eine Möglichkeit ist, den treibenden Geschwindigkeitsvektor v der Wirbel zu verringern. Sogenannte T-Winglets erhöhen den Strömungswiderstand im Spaltbereich und verringern so die Wirbelstärke (ω = × v) und dadurch die Geräuschentstehung beim Auftreffen der Wirbel auf feste Oberflächen.

Die andere Möglichkeit besteht darin, die Wirbelstärke ω über die Kontur der Schaufeln zu verringern. Hierzu wird im Spaltbereich die Schaufel abgerundet und die vom Spaltstrom überströmten Kanten werden entfernt – ähnlich den Winglets an Flugzeugflügeln. Diese Schaufeln weisen nur auf der Austrittsseite der Spaltströmung eine Kante auf, deshalb fällt die Wirbelbildung deutlich geringer aus man beeinflusst den Gradientenvektor (Nabla-Operator = ∂/∂x, ∂/∂y, ∂/∂z) = Vektor der Richtungsableitungen).

Im Bereich des Kopfspalts interagiert die Strömung mit den vorhandenen Kanten, der Schaufeloberfläche und der umgebenden Gehäusewand. Es bildet sich in Abhängigkeit von der Gestaltung ein unterschiedlich starker Kopfspaltwirbel aus.

 

Welche Wingletgeometrie für welchen Axialventilator am besten geeignet ist, wird von dem benötigten Abstand zwischen rotierendem (Schaufel) und stehendem Bauteil (Wandring) bestimmt.

Das Zusammenspiel der beiden Komponenten ist entscheidend und die Geometrien müssen aufeinander abgestimmt sein, um optimale Ergebnisse erzielen zu können. Ein gutes Beispiel hierfür liefern die AxiBlade-Axialventilatoren aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Er bietet die Möglichkeit, die Wingletform auf das Zusammenspiel mit der neu entwickelten Wandringgeometrie abzustimmen, wodurch die Geräuschenstehung im Spalt reduziert wird. 

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