Untersuchung und Optimierung seriell angeordneter Radialventilatoren

Abstract

Aufgrund ihres Aufbaus werden Radialventilatoren bevorzugt für Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Drücke bei moderaten Volumenströmen gefordert sind. Allerdings ist die Druckerhöhung durch mechanische Vorgaben wie beispielsweise der Festigkeit des verwendeten Materials in Kombination mit dem Durchmesser und der Antriebsdrehzahl begrenzt. Um dennoch höhere Drücke zu erreichen, können Radialventilatoren zu einem seriellen Verbundbetrieb kombiniert werden. In der Literatur, wie beispielsweise [BOHL83], finden sich zur Auslegung von Radialventilatoren im Verbundbetrieb meist nur theoretische Beschreibungen. Wie die experimentellen Voruntersuchungen gezeigt haben, lassen sich die Totaldruckerhöhung und der Wirkungsgrad von solchen Verbundbetrieben mit den bekannten Methoden aus der Literatur nur unzureichend beschreiben. Deshalb wurde in der vorliegenden Arbeit die serielle Verschaltung von Radialventilatoren analytisch, numerisch und experimentell untersucht und optimiert. Für die Untersuchung wurden Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Laufrädern verwendet. Die Laufräder der eingesetzten Ventilatoren besitzen eine planparallele Trag- und Deckscheibe mit kreisbogenförmigen Schaufeln, und die Verbindung zu einem seriellen Verbundbetrieb ist durch Kombination von Einzelgeräten umgesetzt. Zur analytischen Berechnung wurde ein modifiziertes Auslegungsverfahren entwickelt, das nicht auf der Totaldruckerhöhung des Einzelgeräts basiert, sondern auf der spezifischen Nutzarbeit unter Berücksichtigung der Dichteänderung aufbaut. Für dieses Auslegungsverfahren sind der Druckaufbau über dem Volumenstrom und die Leistungsaufnahme über dem Volumenstrom über den gesamten Leistungsbereich des Einzelgeräts notwendig. Analytische Auslegungsverfahren zur Bestimmung des Nennbetriebspunkts sind in der Literatur zwar vorhanden und auch experimentell validiert, weichen aber mit zunehmender Entfernung vom Nennbetriebspunkt teilweise deutlich von den Messergebnissen ab. Aus diesem Grund wurden experimentelle Messergebnisse von Radialventilatoren analysiert. Durch die Auswertung charakteristischer Kennlinienpunkte wie beispielsweise dem Verhältnis der Druckerhöhung bei einem Volumenstrom von 0 m3/min zur Druckerhöhung im Nennbetriebspunkt konnten Korrelationen in Abhängigkeit der geometrischen Abmessungen hergestellt werden, die eine Berechnung der gesamten Kennlinie ausgehend vom Nennbetriebspunkt ermöglichen. Mit dieser Auslegungsmethode für Verbundbetriebe wurden drei Laufräder mit unterschiedlichen Lauf- und Durchmesserzahlen auf denselben Betriebspunkt ausgelegt. Anschließend wurden die Eigenschaften der Verbundkennlinien bei mehreren Anlagen-widerständen untersucht. Hierbei wurde gezeigt, dass je nach Verlauf der Anlagenkennlinie sich die Verläufe des Totaldrucks und des Wirkungsgrads über dem Volumenstrom deutlich unterscheiden. Dies muss abhängig vom gewünschten Betriebsverhalten bei der Auslegung von Verbundbetrieben berücksichtigt werden. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass die Geräte in den einzelnen Stufen durch die Verdichtung der Luft in unterschiedlichen Betriebspunkten arbeiten. In Abhängigkeit der Verdichtung der vorherigen Stufen reduzieren sich die Volumenströme durch die nachfolgenden Stufen. Bei den untersuchten Kombinationen war die Abweichung im Volumenstrom zwischen den einzelnen Stufen im Bereich des Nennbetriebspunkts mit am höchsten. Kann die Anlagenkennlinie nur mit einer gewissen Unsicherheit abgeschätzt werden, sind Geräte mit einer großen Durchmesserzahl besser geeignet, da deren Kennlinie im Bereich des Nennbetriebspunkts meist flacher verläuft im Vergleich zu einem Gerät mit kleiner Durchmesserzahl. Die Erkenntnisse aus der Auslegung von einzelnen Laufrädern wurden abschließend in eine qualitative Betrachtungsweise überführt. In den numerischen Simulationen wurden insgesamt vier Kombinationen von Verbund-betrieben mit 2 Gerätetypen untersucht. Zwei der Verbundkombinationen bestehen aus zwei identischen Geräten, die anderen beiden Verbundkombinationen aus unterschiedlichen Geräten, die jeweils in ihrer Anordnung getauscht wurden. Es hat sich gezeigt, dass die 1. Stufe des Verbundbetriebs ein vergleichbares Verhalten zum Einzelgerät aufweist. Erst in den nachfolgenden Stufen kommt es zu einem veränderten Verhalten. Analysiert wurde neben den Betriebsdaten wie Totaldruckerhöhung und Wirkungsgrad auch das Verlustverhalten mit Hilfe der Entropieproduktion durch indirekte Dissipation. Anhand dieses Vorgehens konnten das Betriebsverhalten und die Verlustproduktion detailliert untersucht werden. Insbesondere bei den Eintrittsverlusten im Laufrad konnte festgestellt werden, dass das Flächenverhältnis im Bereich der Schaufelvorderkante zur Fläche der Eintrittsöffnung am Laufrad einen wichtigen Parameter darstellt. Bei einem Flächenverhältnis von ca. 1:1 verringern Störungen am Laufradeintritt den Wirkungs-grad bei hohen Volumenströmen erheblich. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Strömung der Laufräder bzw. der Wirkungsgrad bei höherem Flächenverhältnis nur minimal beeinflusst wird, sodass durch eine Erhöhung der Laufradbreite die Eintrittsverluste gesenkt werden können. Allerdings führt diese geometrische Anpassung auch zu einer Änderung der gesamten Betriebskennlinie. Unter Beachtung dieser Kriterien wurde bei der Simulation der Verbundbetriebe mit unterschiedlichen Geräten nachgewiesen, welche Geräteanordnung sich besser für den seriellen Verbundbetrieb eignet. Um die Eintrittsverluste in die nachfolgenden Stufen zu senken, wurden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt. Ausgehend von der direkten Verbindung der Druck- und Saugstutzen der beiden Stufen wurden eine verlängerte Beruhigungsstrecke und auch ein Sterngleichrichter untersucht. Beide Maßnahmen tragen dazu bei, die Verluste innerhalb der zweiten Stufe zu senken. Die Methode zur Untersuchung der Verlustentstehung durch Entropieproduktion in den unterschiedlichen Laufrädern zeigt außerdem, dass die Verteilung der Verluste innerhalb des Laufrads unterschiedlich ausfällt. Bei den im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Laufrädern hat sich gezeigt, dass bei einem Laufrad mit größerem Außendurchmesser und einer niedrigeren Drehzahl ein Großteil der Verluste bereits im Eintrittsbereich des Laufrads bzw. unmittelbar hinter der Schaufelvorderkante entsteht. Beim Laufrad mit kleinerem Außendurchmesser bei höherer Drehzahl entsteht ein Großteil der Verluste erst im hinteren Bereich des Schaufelkanals. Die numerischen Ergebnisse der vier untersuchten Kombinationen wurden durch experimentelle Vermessung bestätigt. Hierbei konnte der Nachweis erbracht werden, dass durch eine Optimierung der Verbindung eine Steigerung des Wirkungsgrads und auch der Totaldruckerhöhung des Verbunds erzielt werden kann. Außerdem wurden bei der Verwendung verschiedener Geräte im Verbundbetrieb die Abweichungen hinsichtlich Totaldruckerhöhung und Wirkungsgrad aufgezeigt und damit die Ergebnisse der numerischen Untersuchungen validiert. Die erzielten Ergebnisse der Auslegung für serielle Verbundbetriebe können bereits in den ersten Entwicklungsschritten eingesetzt werden. Durch die Kenntnis der Anlagenkennlinien und der geometrischen Abmessungen der verwendeten Geräte werden eine verbesserte Berechnung und eine strukturierte sowie nachvollziehbare Festlegung der Kombinationen ermöglicht.