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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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