Dieses Forschungsprojekt wurde am 31.10.2023 abgeschlossen. Der ausführliche Abschlussbericht kann in der Bibliothek des IFAS eingesehen werden.
Niederdruck-Axialventilatoren werden in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt, um große Volumenströme bei geringen Druckerhöhungen bereitzustellen. Eine charakteristische Eigenschaft von Niederdruck-Axialventilatoren ist, dass sie typischerweise aus Kosten- oder Platzgründen oder aus Gründen des lärmarmen Betriebs ohne Leitschaufeln am Auslass installiert werden. Dies führt zu einer stark drallbehafteten Abströmung. Die Drallkomponente der Strömung resultiert in Trägheitskräften, welche einen monoton in Richtung des Kerns der Strömung fallenden Verlauf des statischen Druckes bewirken (radiales Gleichgewicht). Hierdurch liegt der mittlere Druck in der Abströmung des Ventilators unterhalb des Atmosphärendruckes. Durch die Dissipation der Strömungsgeschwindigkeit nimmt dieser Unterdruck ab - effektiv findet ein statischer Druckrückgewinn statt, welcher den total-statischen Wirkungsgrad erhöht.
Zunächst wurde eine analytische Beschreibung des Problems hergeleitet. Die Grundlage hierfür bildete die Impulsbilanz in radialer Richtung. Aus dieser Beschreibung konnten die zwei wesentlichen Ursachen des statischen Druckrückgewinns abgeleitet werden: Trägheitskräfte hervorgerufen durch die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit (radiales Gleichgewicht) und die Stromlinienkrümmung. Um den Einfluss der Ventilatorauslegung auf diese Ursachen untersuchen zu können wurden mit Hilfe eines modifizierten Auslegungsverfahrens unterschiedliche Ventilatoren mit variierendem Drallgesetz entworfen.
Drei der neu ausgelegten Ventilatoren wurden experimentell mit 5-Loch-Sonden-Messungen sowie PIV- und Hitzdrahtmessungen untersucht. Da unter anderem mit der Stromlinienkrümmung in der Ventilatorabströmung Strömungsgrößen von zentraler Bedeutung sind, welche mit den genannten Methoden nicht oder nur eingeschränkt messbar sind, dient die hierbei geschaffene extensive Datenbasis in erster Linie der Validierung der ebenfalls durchgeführten numerischen Untersuchungen. Hierbei hat sich gezeigt, dass Standard-RANS-Verfahren nicht dazu in der Lage sind, die freien Abströmungen der hier untersuchten Ventilatoren korrekt wiederzugeben. Dementsprechend wurden mit Delayed Detached Eddy Simulationen (DDES) Untersuchungen mit verringertem Modellierungsgrad durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen stimmen im Gegensatz zu den RANS-Simulationen sehr gut mit den experimentellen Daten überein.
Eine mit der experimentell validierten numerischen Methode (DDES) durchgeführte Sensitivitätsstudie mit variierendem Drallgesetz hat gezeigt, dass der Einfluss der Trägheitskräfte auf den Druckrückgewinn signifikant durch die Ventilatorauslegung beeinflusst werden kann. Im Gegensatz hierzu wurde beobachtet, dass die Stromlinienkrümmung für alle untersuchten Ventilatoren einen negativen Einfluss auf den Druckrückgewinn hat und zusätzlich hierzu nur gering durch eine Variation des Drallgesetzes beeinflusst wird. Durch die Berücksichtigung des Druckrückgewinns im total-statischen Ventilatorwirkungsgrad rückt das optimale Drallgesetz deutlich von den üblichen Auslegungen mit minimalem dynamischem Druck in der Abströmung ab.
