Diese ist bei einem Ventilator allerdings eine sehr komplexe Erscheinung, da viele Schallquellen gleichzeitig die Wahrnehmung beeinflussen und es oft schwierig ist, die einzelnen voneinander zu trennen. Erschwerend kommt hinzu, dass auch die Einbausituation mitberücksichtigt werden muss. Auf dem Weg zum optimalen Ventilator sind gründliche akustische Untersuchungen deshalb unerlässlich.
Schallquellen bei Ventilatoren auf die Spur zu kommen ist nicht einfach, denn während aerodynamische Simulationsprogramme recht weit entwickelt und am Markt etabliert sind, ist die Simulation von Aeroakustik heute noch Gegenstand der Forschung. Die erforderliche räumliche Auflösung kleiner turbulenter Strukturen verlangt im Vergleich zur aerodynamischen Simulation wesentlich höhere Zellzahlen. Für einen Ventilator in einer bestimmten Strömungssituation können das sogar mehrere Millionen im zwei- bis dreistelligen Bereich sein. Zudem ist immer eine hohe zeitliche Auflösung notwendig, typische Schritte liegen hier im Bereich von zehn Mikrosekunden. Die benötigten Rechenressourcen und der damit verbundene zeitliche und finanzielle Aufwand sind dementsprechend hoch. Deshalb werden auch z. B. bei Ventilatoren nur die größeren (für die Akustik relevanten) turbulenten Strukturen aufgelöst. Trotz dieser Einschränkungen bleibt der Aufwand beachtlich und zurzeit wird an Ansätzen zur Reduktion des Rechenaufwands gearbeitet. Unterstützung bringen dabei auch experimentelle Verfahren.
Beamforming mit dem Mikrofonarray
Als experimentelles Verfahren zur Ortung von Schallquellen am rotierenden Ventilator nutzt der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst beispielsweise das sogenannte Beamforming-Verfahren als Ergänzung zu der aufwändigen aeroakustischen Simulation. Herzstück ist ein kreisförmiges Mikrofonarray (Bild 1), bei dem 80 Mikrofone auf zwei Ebenen angeordnet sind. Das Mikrofonarray ist im Ventilatorenprüfstand auf der Saugseite eingesetzt und misst dort die Laufzeitunterschiede der Schallwellen zu den einzelnen Mikrofonen. Ausgeklügelte Algorithmen werten dann die über 30 Sekunden bei bekannter Ventilatordrehzahl gewonnenen Daten aus. Das Ergebnis zeigt, dass das Beamforming-Verfahren die gleichen Trends erkennt wie die aeroakustische Simulation (Bild 2). Aufgrund der experimentellen Ergebnisse lässt sich somit auch die numerische Simulation überprüfen und optimieren.
Die Auswertungen lassen bei einem typischen Axialventilator zwei dominante Geräuschquellen erkennen: die Kopfspaltströmung zwischen Schaufel und Wandring sowie die sogenannten Zuströmturbulenzen (Bild 3). Am Kopfspalt kommt es durch den Druckunterschied zwischen der Druck- und Saugseite zur Überströmung der Ventilatorschaufel an der Schaufelspitze. Die Strömung interagiert dort mit den vorhandenen Kanten, also der Schaufeloberfläche und der umgebenden Gehäusewand. Es bilden sich Wirbel, die bei der Ablösung den Schallpegel um bis zu 10 dB erhöhen können.
Zuströmturbulenzen kommen vor allem dann zum Tragen, wenn der Ventilator eingebaut ist. Für den Test mit dem Mikrofonarray wurde dazu ein Kasten gewählt, wie er beispielsweise bei Wärmetauschern üblich ist. An den Gehäusewänden entstehen Rückströmgebiete mit entsprechender Zirkulation, also Luftverwirbelungen. Diese werden dann zu den Stellen mit dem engsten Abstand zwischen Ventilator und Gehäusewand gezogen. Dort verbinden sich die Verwirbelungen beider Seiten miteinander. Diese Wirbelzöpfe“ sorgen dann für hohe Turbulenzen (Bild 4). An der Schaufelvorderkante kommt es dadurch zu großen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen, was zu teilweise drastischen Zusatzgeräuschen vor allem im niederfrequenten Bereich führt. Zum einen entsteht ein breitbandiges Rauschen, zum anderen aber auch schmalbandige tonale Schallanteile, die auch als Drehklang bezeichnet werden. Die dafür typischen, unangenehm brummenden“ Geräusche hat wohl jeder schon einmal gehört.
Von der Ursachenforschung zur Geräuschbekämpfung
Sind die Geräuschquellen lokalisiert, lassen sich Maßnahmen ergreifen, um die Aeroakustik der Ventilatoren zu verbessern: Wie sich zeigte, hat der Spaltabstand zwischen Schaufelspitze und Wandring einen großen Einfluss auf das Geräuschverhalten. Zwar nimmt das Geräusch bei kleiner werdendem Spalt ab, aber das Spaltmaß kann aufgrund fertigungsbedingter Notwendigkeiten nicht beliebig verkleinert werden, ohne Berührungen der Schaufelspitze am Wandring zu riskieren. Hier helfen Winglets weiter. Mit diesen definierten geometrischen Verformungen an der Schaufelspitze können die Kopfspaltströmung und die sich bildenden Wirbel so beeinflusst werden, dass sich eine deutliche Geräuschreduktion ergibt (Bild 5). Die Kopfspaltströmung wird positiv beeinflusst, was die Interaktion der Strömung mit den Kanten verringert. So ergibt sich eine Schallleistungsreduktion von bis zu 10 dB.
Um die Zuströmturbulenzen zu reduzieren, helfen geometrische Veränderungen am Ventilator alleine nicht, da sich diese aus der Einbausituation ergeben. Zusätzliche Dämmmaßnahmen am Gehäuse bringen meist auch wenig Erfolg, denn entsprechende Dämmplatten wirken typischerweise erst ab höheren Frequenzen. Weiter hilft ein anderer Ansatz: Verbessert man die Zuströmung der Luft zum Ventilator, verringern sich die Turbulenzen und somit auch die durch sie verursachten, lästigen niederfrequenten Geräusche. ebm-papst hat deshalb ein spezielles Vorleitgitter (FlowGrid) entwickelt, das praktisch wie ein Gleichrichter auf die Luftzufuhr wirkt. Es reduziert dadurch drastisch die geräuscherzeugenden Störungen in der Zuströmung und wirkt bei Axial- und Radialventilatoren gleichermaßen (Bild 6). Unabhängig von den baulichen Gegebenheiten und der Einbausituation im Gehäuse erreichen die Ventilatoren damit Geräuschwerte, die mit dem Betrieb unter Labortestbedingungen vergleichbar sind. Die aeroakustischen Untersuchungen haben damit bewiesen, dass sie erheblich zur Ventilatoren-Optimierung beitragen. Auf die Zukunft darf man gespannt sein, sicher werden die energieeffizienten Ventilatoren von ebm-papst immer noch ein bisschen leiser werden.
Dr. Marc Schneider,
Gruppenleiter Entwicklung Strömungstechnik, Vorentwicklung Akustik bei ebm-papst Mulfingen
