Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss der Reynolds- und Machzahl auf die Auf- und Abwertungsmethodik für Radial- und Axialventilatoren

Seit 2006 werden am Institut für Fluidsystemtechnik der Technischen Universität Darmstadt Forschungsprojekte zur Wirkungsgradaufwertung von Ventilatoren durchgeführt. Experimentelle Ergebnisse aus dem AiF und FLT Forschungsvorhaben L243 zeigen, dass der Wirkungsgrad von Ventilatoren nicht nur von der Reynoldszahl, sondern auch von der Machzahl abhängig ist. Eine Erhöhung der Reynoldszahl sorgt für eine Wirkungsgradaufwertung und die der Machzahl dagegen für eine Abwertung. Beide Effekte wirken gegenläufig und werden daher getrennt untersucht.

Eine Änderung des Umgebungsdruckes ermöglicht Kennfeldmessungen von Versuchsventilatoren bei konstanter Reynoldszahl und veränderlicher Machzahl und umgekehrt. Um eine möglichst gute und allgemeingültige Aussage zu erhalten, werden drei Versuchsventilatoren (Axialventilator, radialer Mittel- und Hochdruckventilator) mit unterschiedlichen Schnelllaufzahlen verwendet. Die Kennfeldmessungen selbst werden in einer Druckkammer durchgeführt. Hierzu wird auf ein Partnerunternehmen zurückgegriffen, das über die notwendigen Hochdruckanlagen und Sicherheitssysteme verfügt.

Das Projekt gliedert sich daher in den Auf- und Umbau der Prüfstände samt Druckkammer. Anschließend folgt das Vermessen bei variablen Umgebungsbedingungen. Mit Hilfe der Messdaten werden bereits bestehende Verlustmodelle und die an der Forschungsstelle erarbeitete Auf- und Abwertemethodik validiert und erweitert.

Die wirtschaftliche Bedeutung des beantragten Forschungsvorhabens für die KMU besteht insbesondere darin, dass die erarbeitete Verhersagemethodik für Wirkungsgrade nach erfolgter Validierung mit den in der Druckkammer erfassten Messdaten, direkt zum Umrechnen des Wirkungsgrades der Modellmaschine auf die Großausführung eingesetzt werden kann. Die angestrebte Aufnahme der Vorhersagemethodik in die ISO 13348-Norm wird dazu führen, dass auf die sehr kostspieligen Abnahmemessungen an Großausführungen im Einbauzustand künftig verzichtet werden kann

Ergebniszusammenfassung:

Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden die Einflussparameter Mach- und Reynoldszahl getrennt voneinander untersucht. Um dies zu erreichen, wurde eine Druckkammer konstruiert und die bereits am Forschungsinstitut vorhandenen kleinen Radial- und Axialventilatorprüfstände darin betrieben. Zusätzlich kann durch die Drucksteigerung der Reynoldszahlbereich um den Faktor 2.7 erhöht werden ohne die Skalierung des Modells oder die Drehzahl weiter zu steigern. Die Weiterentwicklung des Druckkammerprüfstands als alleinstehender Prüfstand macht es möglich in Zukunft weitere Modellventilatoren problemlos zu untersuchen.

Ein radialer Hochdruck-, ein radialer Mitteldruck- und ein Axialventilator wurden experimentell untersucht. Bei allen Ventilatoren konnte der Reynoldszahleffekt nachgewiesen werden. Mit den Messdaten konnte die Auf- und Abwertungsmethodik des Forschungsinstituts erfolgreich für den Wirkungsgrad und die Druckziffer validiert werden. Außerdem wurde die Methodik optimiert, so dass nun weniger geometrische Größen eingehen. Vor allem auf schwer zu bestimmende Winkel wird verzichtet, was zu einer einfacheren Anwendung und gleichzeitig besseren Vorhersagen führt. Der Machzahleffekt konnte nur bedingt nachgewiesen werden. Im unteren Machzahlbereich wurde (erwartungsgemäß) kein Einfluss festgestellt. Ab einer Machzahl von 0.3 bzw. 0.4 tritt ein Maschinentyp abhängiger Machzahleffekt ein, der allerdings stärker ausfällt als bisher angenommen, was weitere Untersuchungen erforderlich macht, da nur zwei verschiedene Radialventilatoren untersucht wurden und zweitens die maximale Machzahl auf 0.43 begrenzt ist.

Die optimierte Auf- und Abwertemethodik ist in einem Excel-Sheet aufbereitet worden, um so dem projektbegleitenden Arbeitskreis die Möglichkeit zu geben, diese an eigenen Ventilatoren zu testen.

Die erzielten Erkenntnisse gingen und gehen in die Überarbeitung der ISO 13348.