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Simulation

Wie CFD die Entwicklungskosten von Industrieventilatoren senkt

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Vorausberechnung und lufttechnische Messung

Elektror nutzt zur Ventilator-Vorauslegung eigene langjährig entwickelte Tools auf Basis empirisch gesicherter Berechnungsmodelle, die in Echtzeit und meist ausreichend genau die Luftkennlinien von Radialventilatoren vorausberechnen können. Ausgehend von der sogenannten Eulergeraden werden Reibungs-, Stoß- und Spaltverluste im Laufrad und Gehäuse sowie Minderumlenkungen der Luft im Schaufelkanal durch empirische Faktoren berücksichtigt, siehe Abbildung 1.

Kostenintensive Fertigungsschleifen

Doch während für Nieder- und Mitteldruckventilatoren mit Drehfrequenzen von i. d. R. 50 Hz eine sehr gute Übereinstimmung von Vorausberechnung und Messung erzielt werden kann, sind die Abweichungen bei gesteigerter Laufraddrehzahl (> 6.000 min-1) infolge von zunehmend instationären Vorgängen wie Turbulenzen und Ablösungen größer. Diese können in der Vorausberechnung nur noch bedingt berücksichtigt werden (siehe Abbildung 2). Insbesondere bei kundenindividuellen Ausführungen mit geringer Stückzahl machen sich diese Abweichungen in Form von zusätzlichen Fertigungsschleifen als kostenintensiv bemerkbar und erfordern eine Optimierung des Entwicklungsprozesses.

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Grundlagen der Untersuchung

Als Basis für die durchgeführten Untersuchungen dient ein Hochdruck-Radialventilator, betrieben bei 105 Hz mit 20 kW-Nennleistung bei 6.300 min-1 und mit bis zu 20.000 Pa Totaldruck. Die Messungen finden auf der firmeneigenen Luftmessstrecke statt, die nach DIN EN ISO 5801 aufgebaut ist, siehe Abbildung 3.

Die Messung des Massen- bzw. Volumenstroms erfolgt dabei indirekt durch Auswertung des Differenzdrucks vor und hinter einer Messblende, welcher sich proportional zum Massenstrom verhält. Zusätzlich werden die statischen und dynamischen Drücke am Austritt des Ventilators sowie Temperaturen, Motordrehzahl und Aufnahmeleistung aufgezeichnet. Um eine vollständige lufttechnische Kennlinie erfassen zu können, muss mit Hilfe einer Drosseleinrichtung, bestehend aus einem verstellbaren Klappenmechanismus, der Anlagenwiderstand für den Ventilator systematisch verändert werden, wodurch der sich einstellende Massen- bzw. Volumenstrom kontrolliert werden kann.

Die Validierung der anschließenden Strömungssimulationen erfolgt anhand einer Gegenüberstellung der mit Hilfe von Star-CCM+ gewonnenen Ergebnisse mit den aus dem realen Versuch gemessenen physikalischen Werten (hier: statischer Druck, Totaldruck und Volumenstrom).

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