Sound emission of low-pressure axial fans under distorted inflow conditions

Die Schallabstrahlung von Niederdruck-Axialventilatoren ist maßgeblich von der Ventilatorgeometrie und den aufgeprägten Zuströmbedingungen, die durch die Einbausituation des Ventilators induziert werden, abhängig. Die Auswirkungen dieser beiden Parameter wurden jedoch bisher nicht umfassend untersucht und vollständig verstanden. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit, mit einer kompakten und systematischen experimentellen Studie den Einfluss verschiedener Ventilatorschaufelgeometrien auf die Schallabstrahlung von Axialventilatoren unter gestörten Einströmrandbedingungen zu untersuchen.

Der Einfluss der Ventilatorschaufelgeometrie wurde anhand von neun Ventilatoren mit unterschiedlicher Arbeitsverteilung und Schaufelsichelung bei ansonsten identischen Geometrieparametern untersucht. Zusätzlich wurde die Wirksamkeit von Vorderkantenmodifikationen zur Reduzierung der Schallabstrahlung von Axialventilatoren mit einer Parameterstudie ermittelt. Dazu wurde ein generischer Platten-Lüfter mit elf unterschiedlichen Vorderkantenmodifikationen verwendet. Die Modifikationen beinhalteten sinusförmige und zweifach überlagert sinusförmige Vorderkantengeometrien sowie Vorderkanten mit zufälligen Vorderkanten-Amplitude.

Die Zuströmbedingungen wurden so eingestellt, dass einerseits der Turbulenzgrad erhöht war und andererseits ein inhomogenes Geschwindigkeitsfeld am Ventilatoreinlass vorlag. Diese Bedingungen wurden durch Gitter erzeugt – drei Turbulenzgitter und zwei Geschwindigkeitsgradientengitter. Die Gitter wurden dabei vom Ventilator aus gesehen stromaufwärts montiert.

Die veränderten Zuströmbedingungen hatten einen ausgeprägten Anstieg der Schallemission zur Folge. Dabei waren sowohl tonale als auch breitbandige Komponenten erhöht. Es zeigte sich, dass vor allem die Schallabstrahlung der vorwärtsgesichelten Ventilatoren stärker durch die gestörten Zuströmbedingungen beeinflusst wird als die der rückwärtsgesichelten Ventilatoren. Es wurde nachgewiesen, dass bei vorwärtsgesichelten Ventilatoren bedingt durch die Geometrie der Ventilatorschaufel ausgeprägtere instationäre Schaufelkräfte sowie erhöhte Druckfluktuationen an der Schaufelvorderkante auftreten. Diese Faktoren bestimmen die tonale und breitbandige Schallabstrahlung. Bei den rückwärts- und ungesichelten Ventilatoren traten bei freier und gestörter Zuströmung subharmonische Schallkomponenten auf. Diese sind auf Strömungsvorgänge im Spaltbereich zurückzuführen.

Bei den Vorderkantenmodifikationen zeigte sich, dass bei allen Ventilatoren mit veränderter Vorderkantengeometrie die Schallemission geringer war als beim Referenz-Ventilator mit gerader Vorderkante – sowohl bei freier also auch bei gestörter Zuströmung. Die größte Reduktion wurde durch sinusförmigen Vorderkanten erzielt, gefolgt von zweifach überlagert sinusförmigen Vorderkanten und Vorderkanten mit zufälligen Amplituden. Dabei war vor allem die Wellenlänge der modifizierten Vorderkanten der bestimmende Faktor (im Gegensatz zur Amplitude): je kleiner die Wellenlänge war, umso höher fiel die Verminderung der Schallabstrahlung aus.

Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass die Schallemission von Axialventilatoren maßgeblich vom kombinierten Einfluss der Geometrie der Ventilatorschaufel und der Einströmrandbedingungen bestimmt wird. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Schallentstehungsmechanismen von Axialventilatoren bei und zeigen Möglichkeiten für die Entwicklung von geräuscharmen Ventilatoren für komplexe Kühl- und Belüftungssysteme auf.