Turbulenzeffekte bei Axialventilatoren

Drahtmodell

Die Strömung in einem Axialventilator läßt sich unter dem Aspekt der Strömungsverluste in zwei Bereiche unterteilen, der Haupt- oder Primärströmung im Bereich der Mitte der Ventilatorschaufel und den Rand- oder Sekundärströmungen im Bereich der Nabe und des Ventilatorrings (Gehäusebegrenzung).


Grenzschicht

Bei der Strömung entlang einer Wand mit realer Reibung an der Oberfläche ist die Geschwindigkeit aufgrund der Haftbedingungen der Luft nahe Null.
Die Strömungsgeschwindigkeit muß daher von dem Wert Null direkt an der Oberfläche zu einem endlichen Wert in Wandnähe ansteigen. Dies ist die Grenzschicht, welche in Normalenrichtung (senkrecht zur Wand) zur Oberfläche ein charakteristisches Geschwindigkeitsprofil bis zum Erreichen der Außenströmung ausbildet. Innerhalb dieses Geschwindigkeitsprofils erfolgt der Geschwindigkeitsübergang.

Grenzschichtströmung0


Außerhalb der Grenzschicht ist die Strömung laminar ohne große Verluste, innerhalb der Grenzschicht ist die Strömung verlustbehaftet.
Im Bereich der Anströmung der Vorderkante der Axialschaufel entsteht eine beschleunigte Grenzschichtströmung. Diese kann bei den niedrigen Unterschallgeschwindigkeiten unserer Axialventilatoren eher als laminar angesehen werden mit einem geringen Verlustbereiche. Erst am Ende der Schaufelsaugseite ist durch den Umschlag von laminar in turbulent (Transitionspunkt) mit turbulenten Grenzschichtströmungen zu rechnen. Die Schaufeln sind so ausgelegt, daß dieser Umschlagpunkt (Transitionspunkt) möglichst weit hinten liegt.
Für hinreichend kleine Reynolds-Zahlen ist die fluiddynamische Grenzschicht laminar und der Hauptströmung gleichgerichtet. Die in der Grenzschicht vorliegenden besonderen Verhältnisse erlauben den Druckgradienten senkrecht zur Wand zu vernachlässigen: Der Druck ist näherungsweise über die Dicke der Grenzschicht konstant und wird von der Hauptströmung aufgeprägt. Des Weiteren kann die Änderung der Geschwindigkeit in wandparalleler Richtung gegenüber derjenigen senkrecht zur Wand außer Acht gelassen werden.

 

Primärströmung in einem Axialventilator

Einfluss auf die Verluste der Primärströmung im mittleren Schaufelbereich hat die Wechselwirkung mit der Profilgeometrie von Druck- und Saugseite und den dadurch dort entstehenden Profilgrenzschichten, die für die Entstehung der Verluste der Primärströmung, die sogenannten Profilverluste, verantwortlich sind.
Diese Grenzschichten an Druck- und Saugseite wachsen in ihrer Dicke über die Sehnenlänge der Schaufel an und vereinen sich an der Profilhinterkante zu einer Nachlaufdelle.

Einfluß auf diese Verluste haben:Schaufelanströmung

  • Die Teilung der Schaufel t
  • Die zu- und Abströmwinkel β1, β2
  • Die Impulsverlustdicke Φ (Maß für die Verringerung des Impulsstroms in der Grenzschicht aufgrund des Einflusses der Reibung) zur Sehnenlänge l

  • die Axialgeschwindigkeiten wz2/wz1

 

Die sich damit ergebenden Einflußfaktoren der Schaufelgeometrie auf die Primärströmung sind.

  • Die Teilung t der Schaufel, also vereinfacht ausgedrückt der Abstand der Schaufeln zueinander und einhergehend die Anzahl der Schaufeln auf der Nabe. Diese sollte für eine festgelegte Größe und Drehzahl des Ventilators angemessen sein.
  • Die Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Nenn-Drehzahl, diese ist durch die Polzahl des Motors im ungeregelten Nennzustand grob vorgegeben und die Baugröße (Höhe der Schaufeln) durch den gewünschten, zu erzielenden Volumenstrom.
  • Die Anström- und Abströmwinkel β1, β2 ergeben sich aus der Anstellung der Schaufel zur Profilachse.
  • Die Axialgeschwindigkeiten sind beeinflusst durch die betrachtete Größe der Axialschaufel und die Anströmgeschwindigkeit in axialer Richtung (in Höhenrichtung), die sich iterativ aus dem Volumenstrom unter Berücksichtigung des Höhenschnittes ergibt.
    Eine Verbesserung der Anströmung in axialer Richtung in Verbindung zur Schaufelhöhe ergibt sich durch die Verwindung der Schaufel in Höhenrichtung.

 

Sekundärströmung bei einem Axialventilator

Außerhalb der Schaufelmitte tritt mit zunehmender Nähe zu den Seitenwänden Sekundärströmung auf. Die Strömung im Ventilator wird auf der einen Seite durch die Nabe mit den feststehenden Schaufeln und auf der anderen Seite durch den Ventilatorring an dem sich die Schaufeln vorbeidrehen, begrenzt.
Wenn nun auf die Grenzschicht (s.o.) durch die Primärströmung Druck aufgebaut wird entsteht die Sekundärströmung. Aufgrund der kleinen Strömungsgeschwindigkeiten in der Grenzschicht kann diese den dynamischen äußeren Druckkräfte nicht mehr das Gleichgewicht halten.
Es kommt dadurch zu einer Vergrößerung der Grenzschicht, dadurch wird die effektiv frei durchströmte Fläche verkleinert. Dies führt zu Verlusten, die einen wesentlichen Anteil an den Gesamtverlusten haben.

Sekundärwirbel

An der Schaufel eines Axialventilators wird zwischen folgenden Wirbelphänomenen unterschieden:

  • Kanalwirbel
  • Hufeisenwirbel
  • Hinterkantenwirbel
  • Eckenwirbel

Diese haben durch ihre Turbulenz starken Einfluss auf die Verluste in der Strömung des Ventilators.


Entstehung der einzelnen Wirbel:


Kanalwirbel

Die Querkanalströmung ergibt sich aus dem Druckgradienten von Druckseite zur Saugseite zweier Schaufeln. Die dadurch in der Grenzschicht entstehende Sekundärströmung, resultiert durch den wechselseitigen Einfluss der Umlenkung der Hauptströmung und den Seitenwandgrenzschichten.
In der Grenzschicht bewegt sich aufgrund der Reibung und der stärkeren Krümmung an der Naben- und Schaufelwand die Luft langsamer als die Hauptströmung mit ihrer starken Impulskraft. Dadurch kommt es zu einer starken Mehrumlenkung der Strömung aufgrund der Torsionskräfte, so dass die Grenzschichten verdreht werden. Es entsteht so ein Wirbel, der Kanalwirbel, der sich zum Schaufelende hin aufbaut, da sich der Querdruckgradient zunehmend vergrößert.

Spaltwirbel


Hufeisenwirbel

Die Hufeisenwirbel entstehen an der Vorderkante der Schaufel. Durch den Aufprall entsteht eine Rückströmung vor der Axialschaufel und ein Gegendruck in Richtung der Strömung in der Grenzschicht. Wenn diese dem Gegendruck nicht standhalten kann, kommt es zur Ablösung.

Grenzschichtströmung

Die darüber strömende Luft trifft auf die Schaufel und wird durch einen negativen, von der Schaufel weg gerichteten Druck zur Nabe hin verdrängt. Die Luft rollt sich so zu einem Wirbel auf und in Verbindung mit neu zuströmender Luft bilden sich die Hufeisenwirbel.

Hufeisenwirbel

 

 

Hinterkantenwirbel

An der Hinterkante der Schaufel induzieren die Kanalwirbel ein Wirbelpaar. Von der Druckseite abgehend strömt Luft von der Kanalmitte zur Seitenwand. Diese trifft auf die von der Saugseite kommende Luft, die sich entgegengesetzt dreht. Durch die sich bildende Scherschicht zwischen Saug- und Druckseite der Schaufel in radialer Richtung entstehen die Hinterkantenwirbel.

 Hinterkantenwirbel

Eckenwirbel

Wenn Luft durch eine Begrenzungswand der Schaufel verzögert wird, kommt es innerhalb der Grenzschicht zu einer Ablösung (siehe Abbildung oben). Es bildet sich aufgrund des Druckgradienten eine Rückströmung aus, die sich zum Eckenwirbel aufrollt. Für die Entstehung eines Eckenwirbels muss demnach die Luft möglichst senkrecht auf die Schaufelwand auftreffen, was am Auftreffbereich der Querkanalströmung
auf die Saugseite der Fall ist.
Durch die Ausrundung der Übergänge am Schaufelfuß zur Nabe hin kann die Intensität der Eckenwirbel abschwächt werden. Die Ausrundung darf aber nicht zu groß werden, da durch zu große Radien die Luftströmung in Primärrichtung behindert wird und sich neue, verstärkte Eckenwirbel bilden.

 Eckenwirbel

 

Spaltwirbel

Der Spaltwirbel entsteht zwischen der Gehäusewand und der sich vorbeidrehenden Axialschaufel. Durch die Luftbewegung zwischen Schaufelende und Gehäuse strömt die Luft von der Druckseite auf die Saugseite. Die Luft rollt sich zu einem Wirbel auf, abhängig von Spaltweite, Druckunterschied und Reibung an der Gehäuseseite (Axialring).
Da in Axialventilatoren die Schaufelenden schmal zulaufen und die Profildicke gering ist im Verhältnis zur Spaltdicke ist der Druckunterschied der Grund für den Spaltwirbel.
Es kommt zu einer Durchströmung des Spaltes von Druckseite zur Saugseite und zu einer Wechselwirkung von Rand- und Spaltströmung, die die Primärströmung stören kann. Zu der bereits vorgestellten Querkanalströmung kommt so noch die
Spaltströmung hinzu. Der Spaltwirbel hat die entgegengesetzte Drehrichtung des Kanalwirbels. Dadurch kann es zu einer gegenseitigen Beeinflussung der in gegensätzlicher Richtung drehenden Querkanal- und Spaltströmungen kommen. Der Strömungsbereich für die Hauptströmung wird verkleinert und Verluste entstehen. Daher ist neben der Verringerung des Kanalwirbels auch die Verringerung des Spaltwirbels durch die Schaufelgeometrie und Anstellung der Schaufel notwendig.
Um einen guten Wirkungsgrad des Ventilators zu erreichen sind
- schmale Profilgeometrien
- nicht zu große Anstellwinkel
- keine zu kleine Teilung t sinnvoll.

Bei normaler Größe des Volumenstroms befindet sich der Aufrollpunkt des Wirbels
eher am Ende der Schaufelgeometrie, wobei sich die Neigung seiner Bahn zur Hauptströmungsrichtung erhöht.

 Spaltwirbel

 


Verringerung der Verluste bei Kaiser Axialventilatoren

Wir konnten den Wirkungsgrad der Axialventilatoren durch Konstruktive Maßnahmen deutlich verbessern.


Eckenwirbel durch Verrundungen

Durch die Verrundung am Schaufelfuß konnte die Bildung der Eckenwirbel reduziert werden.

 

 Eckenwirbel K

 

 Spaltwirbel

2. Die Spaltwirbel konnten erfolgreich reduziert werden durch eine gleichmäßige Schaufelrundung, angepasst an den Durchmesser des Axialrings. Durch den gleichmäßigen Spalt sind Turbulenzeffekte im Spalt geringer.
3. Die Verrundung an der Oberkante der Schaufel bewirkt eine verringerte Abreißneigung der Strömung im Spaltwirbelbereich.

 

Spaltwirbel K

Spaltwirbel2 K

 

 


Primärströmung

4. Durch die Veränderung der Schaufelgeometrie mit der Höhe konnte der Anstellwinkel zur Luftströmung optimiert werden. Dadurch ist eine Verbesserung der Primärströmung erreicht worden.

 Schaufeldrill

 

5. Durch eine angepasste Profilierung der Schaufel entsteht eine Verringerung der Kanalwirbel und in Wechselwirkung der Hinterkantenwirbel.

 

 

 

Strömungsberechnungen bei einem  Kaiser Axialventilator

 

FEM Gitter

  Erstellung des Rechennetzes auf basis der Finite Elemnte Methode. -> Beschreibung kurz...

 

 

Spaltwirbel S

Spaltwirbel oberhalb der Axialschaufeln

 

Kanal Spaltwirbel S

 Ausbildung des Kanalwirbels und der Spaltwirbel in der hinteren Ebene der Axialschaufeln

 

 

Hufeisenwirbel s

 Schwache Ausbildung des Hufeisenwirbels und des Eckenwirbels aufgrund der angepassten Erstellung der Verrundung des Schaufelfusses.

 

 

Partikel0

 Partikelspuren zur Sichtbarmachung der Strömung im Axialventilator

 

 

Isovolumen

 IIsoflächen der Geschwindigkeitsverteilung bei der Anströmung der Axialschaufeln.