title: Simulationsgetriebene Auslegungs- und Optimierungsstrategie für den Anwendungsfall eines Axialventilators mit Leitapparat
Creators: name: Fritsche, Manuel
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Der weltweit steigende Energiebedarf und die gleichzeitig rasante Reduzierung von fossilen Ressourcen haben das Thema Energieeffizienzsteigerung zu einer der relevantesten Fragestellungen der Gegenwart werden lassen. Speziell im Bereich der Ventilatoren schreibt die EU-Verordnung Nr. 327/2011 als Teil der ErP-Richtlinie 2009/125/EG immer strengere Anforderungen an die Energieeffizienz für diese Maschinen in Form eines Mindestwirkungsgrades vor. Dieser wird vom Gesetzgeber mit der Zeit systematisch erhöht und stellt für Ventilatorenhersteller eine ernstzunehmende technische Herausforderung dar. Niederdruck-Axialventilatoren werden aus Kosten- und Fertigungsgründen in der industriellen Praxis typischerweise mit dreidimensional gebogenen Blechschaufeln konstanter Blechdicke hergestellt. Zudem besteht immer häufiger die Forderung nach einem variabel geformten Schaufelkanal wie bspw. in Form einer konischen Nabenform. Beide Anforderungen sind mit den aktuell bekannten Auslegungsverfahren nicht ohne Weiteres umsetzbar. Denn einerseits werden bei der weitverbreiteten Auslegungsmethode auf Grundlage des Tragflügelverfahrens und der Hauptbestimmungsgleichung für Niederdruck-Axialventilatoren empirische Profildaten benötigt, die für dreidimensionale Schaufelschnitte mit konstanter Blechdicke jedoch im Allgemeinen nicht vorliegen. Andererseits wird bei den bekannten Auslegungsverfahren grundsätzlich von einer zylindrischen Nabenkontur ausgegangen. Dies zeigt die Relevanz von erweiterten Auslegungs- und Optimierungsverfahren bei der Entwicklung hocheffizienter Axialventilatoren und die Notwendigkeit weiterführender Forschungs- und Entwicklungsarbeit in diesem Bereich. Deshalb wird in der vorliegenden Arbeit eine erweiterte Auslegungs- und Optimierungsstrategie für Axialventilatoren mit Leitapparat unter Berücksichtigung des vollständigen Schaufelkanals für dreidimensional gebogene Blechschaufeln und einer variablen Schaufelkanalform entwickelt und vorgestellt. Bei der erweiterten Auslegungsstrategie wird das Konzept des radialen Gleichgewichts unter der Vorgabe einer Drallverteilung in Form einer Auslegungstotaldruckverteilung in radialer Richtung auf mehrere Teilfluträdern angewendet. Darüber hinaus wird dieses Konzept des radialen Gleichgewichts und der vorgegebenen Auslegungstotaldruckverteilung zusätzlich auch in der axialen Richtung auf mehrere Schnitte entlang des Schaufelkanals durchgeführt. Durch die Anwendung der Kontinuitätsgleichung zwischen den axialen Schnittebenen wird die Massenerhaltung sichergestellt. Dadurch lässt sich die geometrische Gestaltung des Schaufelkanals, d. h. speziell auch der Nabenkontur (konische Nabenform), bereits während des analytischen Auslegungsprozesses im Detail berücksichtigen. Dieses physikbasierte Verfahren beruht dabei ausschließlich auf der Anwendung analytischer Gleichungen, die auf jedem Teilflutrad in radialer und axialer Richtung gelöst werden und als Ergebnis das Geschwindigkeitsfeld und das Druckfeld für den vollständigen Schaufelkanal vollständig beschreiben. Daraus wird für jedes Teilflutrad der zugehörige Schaufelwinkel bestimmt und somit schließlich die eigentliche Laufradform konstruiert. Dieses Verfahren kann sowohl auf das Laufrad als auch auf das Vor- bzw. Nachleitrad angewendet werden, weshalb auch analytische Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses eines Vordralls durchgeführt wurden. Denn mit der vorgegebenen Totaldruckverteilung in axialer Richtung kann der Drall vor bzw. nach dem Laufrad direkt in der vorgeschlagenen erweiterten Auslegungsstrategie gesteuert und darauf basierend ein Vorleitrad bzw. Nachleitrad ausgelegt werden. Um das Kennlinienverhalten bereits während des Auslegungsprozesses bewerten zu können, wurde eine analytische Kennlinienabschätzung vorgeschlagen. Dabei hat sich die Kombination zweier bekannter analytischer Modelle als zweckmäßig erwiesen: Einerseits das Minderleistungsmodell nach Pfleiderer/Petermann, das die Abweichung zwischen idealer Theorie und realem Strömungsverhalten bei endlicher Schaufelzahl berücksichtigt. Andererseits das Verlustmodell nach Becker/Piltz, das die bei Teil- und Überlast vorherrschenden Druckverluste analog der Carnotschen Stoßverluste modelliert. Hieraus wurde ein analytisches Modell zur Kennlinienabschätzungen entwickelt, das für den vorliegenden Anwendungsfall der Niederdruck-Axialventilatoren eine ausgeprägte Vorhersagegenauigkeit der Druckkennlinien aufweist. Die vorgestellte analytische Auslegungsstrategie wurde anschließend mit statistischen Methoden optimiert und eine Meta-Modellbasierte Optimierungsstrategie für die ausgelegten Schaufelwinkel vorgeschlagen. Es zeigt sich, dass eine iterative Anwendung des Optimierungsprozesses, bestehend aus DOE-Analyse, Antwortflächen-Methode und anschließender Mehrzieloptimierung auf den axialen Schnittebenen in Strömungsrichtung zielführend ist, d. h. von Anströmkante über die Schaufelmitte hin zur Abströmkante. Bei der durchgeführten Mehrzieloptimierung wurden neben der Wirkungsgradmaximierung auch zwei weitere physikbasierte Optimierungsansätze als Nebenbedingung angewendet: die Minimierung der aerodynamischen Versperrung und die Maximierung der Wandschubspannung auf der Schaufeloberfläche. Der Großteil der vorliegenden Arbeit basiert auf analytischen und numerischen Untersuchungen. Das dafür verwendete CFD-Modell wurde auf Grundlage von CFD-Vorstudien entwickelt, wobei zur korrekten Modellbildung ebenfalls messtechnische Vorabuntersuchungen am physischen Referenzventilator im Labor durchgeführt und analysiert wurden. Die hochaufgelösten CFD-Simulationsmodelle wurden auf dem HPC-Cluster mit bis zu 400 CPUs berechnet. In diesem Zusammenhang wurde auch die parallele Skalierbarkeit auf dem HPC-Cluster für den Anwendungsfall detailliert untersucht. Schließlich wurde die entwickelte CFD-Modellierung mit am Normprüfstand gemessenen Daten des Referenzventilators validiert. In weiterführenden numerischen CFD-Simulationsstudien wurden typische Einflussfaktoren für die Auslegung des Axialventilators analysiert. Als erstes wurde der Einfluss der konstanten und der linearen Drallverteilung durch eine systematische Variation der Auslegungstotaldruckverteilung untersucht und dabei festgestellt, dass die lineare Drallverteilung für den untersuchten Anwendungsfall als optimal erscheint. Des Weiteren zeigte sich, dass eine konische Nabenkontur im Vergleich zu einer zylindrischen Nabe bei identischen Auslegungsparametern zu einer Verbesserung des Kennlinienverhaltens führt. Zudem konnte festgestellt werden, dass ein axiales Längenverhältnis von 𝜇=𝑒/𝑑_𝐺=0,2 sowie ein Durchmesserverhältnis von 𝜈=𝑑_𝑁/𝑑_𝐺=0,5 ein optimales Kennlinienverhalten ergibt. Eine Analyse zur Variation der Schaufelzahl ergab einen maximalen Wirkungsgrad bei einer Schaufelzahl 𝑧=6. Die vorgestellte erweiterte Auslegungsstrategie für den vollständigen Schaufelkanal kann speziell für Blechschaufeln mit konstanter Dickenverteilung angewendet werden. Jedoch zeigte auch die Schaufeldicke einen Einfluss auf das Kennlinienverhalten. Deshalb wurde auch diese detailliert untersucht und für den vorliegenden Anwendungsfall eine optimale Blechdicke von 𝑠=2…3 𝑚𝑚 bestimmt. Neben der konstanten Dickenverteilung wurden auch variable Dickenverteilungen überprüft. Dabei konnte das bekannte Ergebnis bestätigt werden, dass der Einfluss einer profilierten Schaufel mit aerodynamischer Dickenverteilung im Vergleich zu einer einfachen Blechschaufel mit konstanter Dickenverteilung bei Niederdruck-Axialventilatoren nur schwach ausgeprägt ist. Unter Berücksichtigung des erhöhten Fertigungsaufwand bei profilierten Schaufeln wird für den vorliegenden Anwendungsfall die konstante Dickenverteilung empfohlen wird. Schließlich wurde der Einfluss des Laufradspalts zwischen Laufradschaufelspitze und Gehäuse systematisch untersucht, denn dieser führt zu einer Wirbelbildung im gehäusenahen Schaufelbereich und einer damit einhergehenden Kennlinienreduzierung. Als Folge wurde eine systematische Verbreiterung der Schaufelprofillänge in diesem kritischen Bereich vorgeschlagen, die zu einer optimaleren Strömungsführung und insgesamt zu einem verbesserten Kennlinienverhalten führt. Als Kompromiss wird ein Laufradspalt von 𝛿=2 𝑚𝑚 für den vorliegenden Anwendungsfall gewählt. Schließlich wurde die erweiterte Auslegungs- und Optimierungsstrategie unter Berücksichtigung der durchgeführten CFD-Simulationsstudien angewendet und mit numerischen und experimentellen Ergebnissen validiert. Die vier entwickelten Prototypen wurden additiv gefertigt und am Normprüfstand vermessen. Der Kennlinienvergleich der Messdaten mit den numerischen CFD-Ergebnissen zeigte eine sehr gute Übereinstimmung, wodurch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des entwickelten CFD-Modells wiederholt validiert wurden. Schließlich wurde ein Auslegungs- und Optimierungsvorgang für Laufrad und Leitrad durchgeführt. Dieser finale Prototyp 4 zeigt im Vergleich zum Referenzventilator eine signifikante Drucksteigerung im Auslegungspunkt (Δ𝑝_𝑓:+29% und Δ𝑝_𝑓𝑠:+43%) sowie eine deutliche Wirkungsgradsteigerung (𝜂_𝑓:+2,6% absolut und 𝜂_𝑓𝑠:+4,1% absolut) und insgesamt eine Verbreiterung der Wirkungsgradkennlinien. Zudem hat die optimierte Neuauslegung einen im Vergleich zum Referenzventilator deutlich nach links verschobenen und geringer ausgeprägten instabilen Abrissbereich und somit einen deutlich größeren möglichen Arbeitsbereich. Dies ist mit der längeren Schaufellänge im Gehäusebereich zu begründen, denn durch die Vergrößerung der Schaufellänge ist eine bessere Strömungsführung im kritischen äußeren Bereich sichergestellt. Zusammenfassend kann auf Grundlage der durchgeführten numerischen Untersuchungen sowie der Prototypenmessungen festgestellt werden, dass die erweiterte Auslegungs- und Optimierungsstrategie für Laufrad und Leitrad als geeignetes Verfahren für den untersuchten Anwendungsfall der Niederdruck-Axialventilatoren eingesetzt werden kann.