Strömungsakustische Untersuchung einer Antriebseinheit für Vakuumreiniger. Diplomarbeit im Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der

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1 FH D Fachhochschule Düsseldorf Strömungsakustische Untersuchung einer Antriebseinheit für Vakuumreiniger Diplomarbeit im Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der Fachhochschule Düsseldorf Prof. Dr.-Ing. F. Kameier Dipl.-Ing. D. Reinartz Fachhochschule Düsseldorf vorgelegt von Önder anlialp Matrikel-Nr

2 Düsseldorf, April 1999Einleitung Strömungsmaschinen in Vakuumreinigern oder Staubsaugern, die auch zur Naßreinigung eingesetzt werden, gehören zu der Gruppe der Kleinstgebläsen, die im Ventilatorenbau oft vernachlässigt werden, deswegen ist auch kaum Literatur über dieses Thema zu finden. Die hier zu untersuchende Antriebseinheit besteht aus einem einstufigem Gebläse mit Leitapparat sowie einem Universalmotor mit Kühllüfter. Aufgrund der hohen Drehzahl, die mehr als 25000U/min beträgt, werden Geräusche erzeugt, die vom menschlichen Ohr als besonders störend empfunden werden. Möglichkeiten zur akustischen Verbesserung sind zum einen die Drehzahlreduktion und der Bau zweistufiger Gebläse, um dennoch die hohen geforderten Drücke zu erreichen. Zum anderen bietet die aerodynamische Optimierung und die damit verbundene Reduktion von Strömungsablösungen einen zwar schwierigen aber begehbaren Weg. Aufgabe dieser Arbeit ist, eine Bestandsaufnahme der aerodynamischen und akustischen Kenngrößen des Radialventilators eines Vakuumreinigers durchzuführen. Hierzu ist die Strömungsmaschine in einen Kanalprüfstand einzubauen, wobei die aerodynamischen Einbaubedingungen des Staubsaugers möglichst realitätsnah untersuchbar sein sollen. Es soll im wesentlichen versucht werden, die dominierenden Geräuschquellen zu lokalisieren, zu beschreiben und eventuelle Maßnahmen zu Lärmminderung durchzuführen.

3 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen....1 Einleitung Berechnung der Meßgrößen Versuchsaufbau Maßnahmen zur Lärmminderung Meßergebnisse Untersuchung verschiedener Ventilatoren am Kanalprüfstand Untersuchung der Motordeckel im Staubsauger Untersuchung der Ventilatordeckel im Staubsauger Untersuchung des Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers Untersuchung des Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers bei konstanter Drehzahl Untersuchung des Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers bei nicht konstanter Drehzahl Aerodynamische und akustische Kenngrößen des Staubsaugers am provisorischen Prüfstandsaufbau Optimierungsvorschläge Zusammenfassung Literaturverzeichnis...100

4 Kapitel 1: Berechnung der Meßgrößen 4 1 Berechnung der Meßgrößen Aerodynamische Kenngrößen Fördermassenstrom m& und VolumenstromV & Die Bestimmung des Fördermassenstroms erfolgt mit Hilfe einer kalibrierten Einlaufdüse. Für Strömungsgeschwindigkeiten, die kleiner sind als 50m/s, ist der Einfluß der Kompressibilität auf Massenstrommengen kleiner als 1%. Deswegen kann man annehmen, daß die Dichte ρ konstant bleibt. Der Massenstrom läßt sich somit berechnen aus m& = α D π ρ d 4 2 D 2 p ρ D und der Durchflußzahl α D =0,94 für die hier verwendete Düse, vgl. [5]. Der Quotient aus dem Massenstrom m& V & = m & ρ. und der Dichte ρ ergibt den Volumenstrom Die Geschwindigkeiten am Ein- und Austritt des Ventilators lassen sich mit der Kontiunitätsgleichung berechnen. Geschwindigkeit c D Die Geschwindigkeit c D Querschnittsfläche der Düse ist gleich dem Volumenstrom dividiert durch die c D = V& A D π 2 mit A = d D D. 4

5 Kapitel 1: Berechnung der Meßgrößen 5 Geschwindigkeit c E am Eintritt Die Geschwindigkeit c E am Eintritt des Ventilators ist gleich dem Volumenstrom dividiert durch die Querschnittsfläche A R des Rohres mit:. Geschwindigkeit c A am Austritt Die Geschwindigkeit c A am Austritt des Ventilators ist => mit A A = Austrittsfläche des Ventilatorgehäuses. Gesamtdruckerhöhung p fa und p t Die Druckerhöhung p des Ventilators berechnet sich gemäß der Bernoulli- Gleichung ohne Berücksichtigung von Verlusten, für den Ventilator gilt also, R E A V c. = 2 R d R 4 A π = R E A A A c A c = R A E A A A c c = ρ + = ρ + ρ p 2 c p p 2 c 2 c c p p p ρ = ρ V &

6 Kapitel 1: Berechnung der Meßgrößen 6 oder für die Druckerhöhung des Ventilators p = p t = p 2 p 1 + ρ c c 2 1. Gesamtdruck totale Druck- statischer dynamischer druckerhöhung Druck Druck Wenn der Eintrittsquerschnitt A E gleich dem Austrittsquerschnitt A A ist, dann ist der Gesamtdruck gleich dem statischen Druck: p = p 2 p 1. Beim frei ausblasenden Ventilator ist p 2 = p b = Umgebungsdruck und mit p 1 = p b - p 1 c c p p p p 2 = + + ρ 1, b b 1 2 c c p p 2 = + ρ 1, da theoretisch für c 2 gilt: c 2 = 0, wird ein p frei ausblasend definiert: p fa = p 1 2 c ρ 1 2.

7 Kapitel 1: Berechnung der Meßgrößen 7 Folgender Zusammenhang besteht nun zwischen p t und p fa : p t = p fa + ρ c Förderleistung P fa Die Förderleistung des frei ausblasenden Ventilators läßt sich errechnen aus dem Volumenstrom V & multipliziert mit der Druckerhöhung p fa : P fa = V & p fa. Die dimensionslosen Kenngrößen Durchfluß- oder Lieferzahl ϕ Die Durchfluß- oder Lieferzahl ist gleich dem Volumenstrom bezogen auf die Umfangsgeschwindigkeit u 2 und die Querschnittsfläche A 2 des Laufrades.. V ϕ = 2 u A 2 π mit A2 = D ; u2 = 2 π D 2 und 4 2 D 2 = Durchmesser des Laufrades am Austritt.

8 Kapitel 1: Berechnung der Meßgrößen 8 Druckzahl ψ fa Die Druckzahl ψ fa ist der Quotient aus der Druckerhöhung p fa und dem aus der u 2 Umfangsgeschwindigkeit u gebildeten Druck ρ 2 : 2 ψ fa = 2 p fa 2 ρ u 2. Wirkungsgrad η In der vorliegenden Arbeit werden sämtliche aerodynamischen Messungen mit dem gleichen elektrischen Antriebsmotor des Ventilators durchgeführt. Die erwartete Änderung der elektrischen Leistung ist gering, zudem ist zum Vergleich der Strömungsmaschinen lediglich der Kurvenverlauf (Maximum) des Wirkungsgrads in Abhängigkeit vom Volumenstrom oder der Lieferzahl von Interesse. Da der Motorwirkungsgrad des Antriebs unbekannt ist, sind die hier angegebenen Absolutwerte des Wirkungsgrads der Strömungsmaschine nicht richtig. Für die Interpretation der Ergebnisse werden hier aber auch nur Wirkungsgradänderungen und das Maximum des Wirkungsgrads betrachtet. Der Motorwirkungsgrad ist als konstant angenommen worden. Die hier gemäß den obigen Ausführungen verwendeten Werte für den aerodynamischen Wirkungsgrad sind nach folgender Formel berechnet worden p η = fa P el P = fa P el... V.

9 Kapitel 1: Berechnung der Meßgrößen 9 Akustische Kenngrößen Schalldruckpegel L p Der gemessene Schalldruckpegel ist gleich L p p ~ = 20lg [ db] mit = Effektivwert des Schalldrucks=, p ~ p ~ p A 2 0 p A = Druckamplitude, p ~ 5 = Bezugsschalldruck = 2 10 Pa. 0 Schalleistungspegel Lw Der Schalleistungspegel ist ein Maß für die Größe der abgestrahlten Schalleistung. von der Schallquelle L = 10lg w P P 0 12 mit: P 0 =Bezugsschalleistung= 1 10 W. Zusammenhang Schalldruckpegel und Schalleistungspegel L w = L p + 10lg A A 0 [ db] mit A 0 =Bezugsfläche=1m².

10 Kapitel 1: Berechnung der Meßgrößen 10 spezifische Schalleistungspegel L Ws Um das Geräuschverhalten von unterschiedlichen Ventilatoren miteinander vergleichen zu können, müssen dabei die aerodynamischen Werte mit berücksichtigt werden. Denn Schallpegelmessungen bei Strömungsmaschinen ohne gleichzeitige Bestimmung und Berücksichtigung der aerodynamischen Werte sind nicht sehr nutzbringend. Vergleiche des Schalldruckpegels von Ventilatoren unterschiedlichen Bautyps geben nur Sinn, wenn sichergestellt ist, daß die Arbeitspunkte auch aerodynamisch vergleichbar sind. Der spezifische Schalleistungspegel bietet dagegen die Möglichkeit verschiedene Ventilatoren über ihren gesamten Kennlinienbereich, also bei unterschiedlicher aerodynamischer Leistungsumsetzung, miteinander vergleichen zu können. Im folgenden wird eine kurze mathematische Beschreibung des Ventilatorgeräusches nach [2] wiedergegeben. Neise hat in einer Untersuchung acht Ventilatoren unterschiedlichen Bautyps hinsichtlich ihrer Geräuscherzeugung miteinander verglichen. Für den Vergleich hat er drei verschiedene Formulierungen des spezifischen Schalleistungspegel die im folgenden aufgeführt sind, in Betracht gezogen. Die folgende Beziehung beschreibt die Strömungsleistung: P ~ ρ D 2 u 3 mit V & ~ D 2 u ; p ~ ρ u 2. In [2] wird die Schalleistung beschrieben durch die Proportionalität m u P ~ ρ D 2 u 3 0 a 0 mit ρ 0 = Dichte des Strömungsmediums, a 0 = Schallgeschwindigkeit des Mediums, m= Exponent für die Strömungs- Machzahl.

11 Kapitel 1: Berechnung der Meßgrößen 11 Neise hat in [2] mit Dividieren der Schalleistung durch die Strömungsleistung in logarithmischer Form die spezifische Schalleistung erhalten, die er den akustischen Wirkungsgrad nennt. L w sη = L w 10 lg V& V& 0 10 lg p p t t0 (1) 3 mit V& = 1 m und 1 Pa. 0 p t 0 = Diese Gleichung ist dimensionsmäßig richtig, aber sie stimmt mit der Erfahrung nicht überein. Denn langsam drehende Strömungsmaschinen werden gemäß dieser Formel als zu leise und schnell drehende Strömungsmaschinen als zu laut bewertet. Die bekannteste Abschätzungsformel für den Schalleistungpegel ist die unten aufgeführte Gleichung von Madison aus der Beziehung in logarithmischer Form: P ~ ρ 2 0 D 2 u 5 L w sm = L w 10lg V& V& 0 20 lg p t p t0. (2) Obwohl diese Gleichung dimensionsmäßig falsch ist, stimmt sie mit der Erfahrung gut überein. Die folgende Gleichung von Regenscheit setzt, wie die erste Gleichung, die Schalleistung proportional zur Strömungsleistung und erweitert diese mit 1 10 lg η 1 t a 0 u m

12 Kapitel 1: Berechnung der Meßgrößen 12 L w sr V& = Lw 10lg V& 0 p 10 lg p t t0 10 lg 1 ηt 1 u a 0 m (3) mit m=2,5 für Axialventilatoren, und m=2 für Radialventilatoren. Die oben angegebenen Werte für den Machzahl-Exponenten m gelten nur für Umfangsgeschwindigkeiten bis etwa 50 m/s. Für höhere Umfangsgeschwindigkeiten muß man höhere Werte für m wählen[1]. Da bei dieser Arbeit die Umfangsgeschwindigkeiten der Versuchsventilatoren ungefähr die gleiche Größenordnung haben, und die Absolutwerte nicht interessieren, kann man für Radialventilatoren in die Gleichung von Regenscheit m=2 einsetzen. Eine zuverlässige Wirkungsgradbestimmung ist zur Verwendung der Formel von Regenscheit allerdings notwendig, daher ist in dieser Arbeit die Gleichung von Madison benutzt worden. In der Praxis ist sie auch weit verbreitet.

13 Kapitel 2: Versuchsaufbau 13 2 Versuchsaufbau Provisorische Prüfstandsaufbau für den Staubsauger Der in Bild 1 dargestellte Prüfstand ist gebaut worden, um die Konstruktionszeit für den eigentlichen Prüfstand, siehe Bild 2, zu überbrücken. Die Überlegung, diesen einfachen Aufbau zu konstruieren, lag darin, einige Kenndaten wie Drehzahl, und Volumenstrom des Staubsaugers kennenzulernen, da diese nicht bekannt waren. In der Bedienungsanleitung des Staubsaugers ist die totale Druckerhöhung mit 18000Pa und die elektrische Leistung mit 1300W angegeben. Der Prüfstand besteht aus einem 1m langen HT-Rohr ( 50mm), welches in einen 720 mm langen konisch verlaufenden Stahlrohr ( 90mm 32mm) eingesteckt und mit Silikon abgedichtet worden ist. Das Stahlrohr ist mit einer normierten Einlaufdüse [5] verbunden worden. Unmittelbar nach der Düse befindet sich die Ringleitung, womit der Düsenunterdruck p D gemessen worden ist. Um den Unterdruck p E am Eintritt des Staubsaugers zu ermitteln, sind in einem Abstand von 75mm (hier 2x Rohr 50mm) nach DIN Teil 2 [7] vier Wandanbohrungen ( 2mm) an dem HT-Rohr angebracht und in diese sind Messingrohre (l =25mm) eingeklebt worden, die mittels einer Ringleitung miteinander verbunden worden sind. Eine weitere Wandanbohrung ist in einem Abstand von 500mm zum Staubsaugereintritt am Rohr angebracht worden. In diese Bohrung ist ein Messingrohr (l=30mm) eingeklebt worden, auf das ein ½ Zoll-Mikrofon gesetzt werden konnte.

14 Kapitel 2: Versuchsaufbau 14

15 Kapitel 2: Versuchsaufbau 15

16 Kapitel 2: Versuchsaufbau 16 Der saugseitige Kanalprüfstand Der saugseitige Rohrprüfstand nach DIN Teil 2 [7] besteht aus folgenden Bauteilen: - normierte Viertelkreis-Einlaufdüse, - 350mm lange Rohrstrecke( 32mm) mit integrierter Drosselklappe, - 2 Übergangsstücke ( 106mm 42mm), - 2 x 1m Rohrstrecke, - reflexionsarmer Abschluß, - Hubertsonde(Wandschlitzsonde zur Reduzierung von turbulenten, Druckschwankungen), siehe Bild 3, - 1 x 2m Rohrstrecke mit Wandanbohrungen, - Verbindungsflansche für den Ventilator und den Staubsauger, siehe Bild 4. Bild 3: Die Hubertsonde, vgl. [6]. a) b) Bild 4: Flanschanschluß am Prüfstand a) Staubsauger am Kanalprüfstand, b) Ventilator am Kanalprüfstand.

17 Kapitel 2: Versuchsaufbau 17 Die Hubertsonde Die Hubertsonde dient dazu, die turbulenten Druckschwankungen gegenüber den akustischen Druckschwankungen zu reduzieren. Im folgenden wird nach Brüel & Kjaer [3] der physikalische Hintergrund eines Turbulenzschirmes beschrieben, der die gleiche Funktion hat wie die Hubertsonde. Die Hubertsonde bietet im Gegensatz zum Turbulenzschirm den Vorteil der leichten Zugänglichkeit des Mikrofons, wodurch ein Kalibrieren der Meßkette ohne Öffnung des Kanals möglich ist. Die Hubertsonde kann zwischen turbulenten Druckänderungen, die sich mit niedriger Geschwindigkeit ausbreiten, und Schalldruckänderungen mit sehr viel höherer Ausbreitungsgeschwindigkeit unterscheiden. An verschiedenen Stellen des Schlitzes kommt es zu Druckschwankungen, so daß der Druck an der Mikrofonmembran aus der Überlagerung aller Druckwellen resultiert. Falls es sich bei den Druckänderungen um Schallwellen handelt, werden sich die verschiedenen Druckwellen addieren und an der Mikrofonmembran einen hohen Schalldruck aufbauen, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit für Schall innerhalb und außerhalb der Sonde gleich sind. Werden die Druckschwankungen jedoch durch Turbulenzen auf der Außenseite des Rohres verursacht, werden sich die Druckwellen druckabbauend addieren, weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Rohr sehr viel größer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Turbulenz außerhalb des Rohrs. Deshalb wird nur ein niedriger Druck auf die Mikrofonmembran wirken. Die Schlitzbreite und das Dämpfungsmaterial steuern den Strömungswiderstand des Schlitzes und dadurch die Geräuschunterdrückung des Schirms. Bei der Schallausbreitung in einem Rohr ist der Schalldruck ab einer bestimmten Grenzfrequenz (Cut-On-Frequenz) über den Rohrquerschnitt nicht mehr konstant. Der Schalldruck breitet sich dann als nicht ebene Welle im Rohr aus. Die Schwingungsformen werden als höhere Moden oder Rohrmoden bezeichnet. In Rohrachsrichtung breiten sich die Schallwellen dann wendelförmig aus. Gemäß [6] sind Korrekturen für Wandschlitzsonden vorgesehen ähnlich wie bei dem Turbulenzschirm gemäß DIN EN [8], die hier allerdings aufgrund der hohen Cut-On-Frequenz nicht verwendet werden brauchen.

18 Kapitel 2: Versuchsaufbau 18 Die Cut-On-Frequenz läßt sich berechnen aus: f co 1,84118 = a 2 π R 1 Ma 2 mit: 1,844118=Besselkoeffizient c R=0,021m ; a=340m/s ; Ma = a f co 1,84118 = π 0,021m m s 2 m 40 1 s m 340 s 4680 Hz

19 Kapitel 2: Versuchsaufbau Meßkette In Bild 5 ist die schematische Darstellung der verschiedenen Meßketten zu sehen. Die zu bestimmenden Größen sind - der statische Unterdruck an der Einlaufdüse, - der statische Unterdruck am Eintritt, - der Schalldruckpegel im saugseitigen Kanal, - der Schalldruckpegel im Freifeld, - die Drehzahl, - die elektrische Leistung, - die Spannung und die Stromstärke. Der statische Unterdruck an der Einlaufdüse und am Eintritt ist mittels zwei Digitalmanometern des Fabrikats MECOTEC DP200 bestimmt worden. Die Schalldruckpegel sind mit ½ Zoll Mikrofonen Typ 4133 von Brüel &Kjaer gemessen worden. Das im Kanal benutzte Mikrofon hat die Seriennummer und das im Freifeld benutzte Mikrofon die Seriennummer Die Mikrofone im Kanal und im Freifeld sind an die Vorverstärker von Brüel& Kjaer (Kanal:Type 2619no918070, Freifeld: Type 2619no561499) angeschlossen worden die über ein Mikrofonspeisegerät (Type 2807) mit den Eingangskanälen von HP-VXI-Workstation verbunden worden sind. Die Mikrofonmeßdaten werden als Zeitdaten auf der Workstation gespeichert und mit dem Prüfstand Akustik System (PAK) der Firma Müller BBM Vibro Akustik Systeme GmbH weiter verarbeitet. Die spektral ermittelten Daten sind unter Verwendung des Hanning-Windows 100 mal arithmetisch gemittelt worden. Das Mikrofon im Kanal ist in eine Hubertsonde gesteckt worden. Das Mikrofon im Freifeld befindet sich an einem Stativ, das in einem Abstand von 1m und einem Winkel von 45 zum Ventilatordruckstutzen aufgestellt worden ist. Die Drehzahl des Ventilators ist mittels eines Digitaltachometers von Shimpo (DT- 201) bestimmt worden. Die Drehzahl beim vollständig montierten Staubsauger ist mittels der Blattfolgefrequenzen aus den Schalldruckspektren bestimmt worden. Die Drehzahl ist mit einem Spannungsumrichter von Philips (Type: ) variiert worden. Die Spannung, die Stromstärke und die elektrische Leistung sind mittels dem Effektiv-Voltmeter von Gossen abgelesen worden.

20 Kapitel 2: Versuchsaufbau 20

21 Kapitel 3: Maßnahmen zur Lärmminderung 21 3 Maßnahmen zur Lärmminderung Motordeckel Nach Bild 6 gibt es für den zu untersuchenden Ventilator drei verschiedene Motordeckel zur Auswahl, die als Lagergehäuse und Verkleidung des Motors und wahrscheinlich gleichzeitig auch für eine optimale Stromführung des aus dem Laufrad strömenden Fluids dienen sollen. Wie nach Bild 6 zu erkennen, unterscheiden sich die Deckel nur in ihrer Geometrie, die vermutlich Ergebnis verschiedener numerischer Strömungsberechnungen ist. MD1 MD2 MD3 a) b) c) Bild 6: Motordeckel: a) Motordeckel MD1- mit acht Statorschaufeln, b) Motordeckel MD2- mit vier Statorschaufeln, c) Motordeckel MD3- mit vier Statorschaufeln und gestutzten Eckkanten. Für jeden Motordeckel sind Ventilatorkennlinien aufgenommen worden, um zu ermitteln, welcher Deckel für den Ventilator der am besten geeigneteste ist. Bei den Messungen des Ventilators am Prüfstand trat ein Lagerproblem auf, weil das Lager in seinem Sitz (Motordeckel) nicht fixiert ist und damit die Lageraußenschale sich

22 Kapitel 3: Maßnahmen zur Lärmminderung 22 mit der Motorwelle dreht, was zum Lagerschaden bzw. zu hoher Geräuschentwicklung führt. Dieses Problem trat aber bei eingebautem Zustand im Staubsauger nicht auf, weil der Motor im Staubsauger vertikal eingesetzt wird. Dies führt dazu, daß das Gewicht des Motors das Lager gegen den Motordeckel drückt und damit die Außenschale des Lagers sich nicht mehr dreht. Gemäß der Angaben des Lagerherstellers SKF sind die Lager für eine maximale Drehzahl von Umdrehungen pro Minute geeignet. Bei Nullförderung läuft der Ventilator aber ungefähr mit U/min.

23 Kapitel 3: Maßnahmen zur Lärmminderung 23 Ventilatordeckel In Bild 7 ist der ursprüngliche und der modifizierte Ventilatordeckel zu sehen, die im folgenden mit VD1 für den ursprünglichen und VD2 für den modifizierten benannt werden. Die Überlegung die Austrittsöffnungen des VD1 zu vergrößern, lag darin, die druckseitige Drosselung unmittelbar nach dem Laufradaustritt zu vermeiden. In der schematischen Darstellung, Bild 8a-b, sieht man, daß bei dem ursprünglichen Deckel das ausströmende Fluid senkrecht gegen die Deckelwand prallt und dann vermutlich mit einiger Verzögerung aus dem Deckel heraustritt. Die Austrittsfläche von VD1 beträgt A VD1 = 0,002343m² und die Austrittsfläche des VD2 A VD2 =0,0126m². VD1 VD2 Bild 7: Originaldeckel VD1(links), modifiziertes Deckel(rechts).

24 Kapitel 3: Maßnahmen zur Lärmminderung 24 a) b) Bild 8: Schematische Darstellung der Strömungsablenkung unmittelbar nach Laufradaustritt. a) VD1, b) VD2.

25 Kapitel 3: Maßnahmen zur Lärmminderung 25 Gitter vor dem Radeinlauf In Bild 9a-b ist das Originalgitter des Staubsaugers aus Kunststoff und das Drahtgitter als Vergleichsobjekt zu sehen. Das Gitter soll hier als Haltevorrichtung für den Filter vor dem Einlauf des Ventilators dienen. Wie in Bild 9c zu sehen, ist das Kunststoffgitter vom Gehäuse getrennt und durch das Drahtgitter ersetzt worden. Das ursprüngliche Gitter hat eine größere Widerstandsfläche als das Drahtgitter, was folglich zu einem Druckverlust führt. a) b) c) Bild 9: Gitter: a) Originalgitter, b) Drahtgitter, c) Drahtgitter am Ventilatoreintritt.

26 Kapitel 3: Maßnahmen zur Lärmminderung 26 Einlaufdüse Für eine bessere Luftzufuhr unmittelbar in das Laufrad des Ventilators ist aus Blech eine selbstgebastelte Einlaufdüse, siehe Bild 10, montiert worden. In Bild 11 sind die ungefähren Abmessungen der Einlaufdüse dargestellt. Bild 10: Einlaufdüse mit Gitter und Schaumstoff. Bild 11: Einlaufdüse mit ungefähren Abmessungen.

27 Kapitel 4: Meßergebnisse 27 4 Meßergebnisse 4.1 Untersuchung verschiedener Ventilatoren am Kanalprüfstand Im folgenden werden die im Abschnitt 3 beschriebenen Motordeckel mit ihren aerodynamischen und akustischen Kennlinien verglichen. Für die Bestimmung der spezifischen Schalleistung im Freifeld (druckseitig) ist eine Halbkugel als Hüllfläche angenommen worden, dessen Fläche A FF =6,28m² beträgt. Für die Motordeckel sind folgende Abkürzungen benutzt worden: MD1: Motordeckel mit acht Statorschaufeln, MD2: Motordeckel mit vier Statorschaufeln, MD3: Motordeckel mit vier Stotorschaufeln und abgeschnittenen Ecken. Alle Messungen sind mit dem gleichen Ventilatordeckel und mit einer konstanten Drehzahl von U/min durchgeführt worden. Es wurde nur diese eine Drehzahl ausgewählt, da diese der Drehzahl des kommerziellen Staubsaugers ohne Frequenzumrichter (Drehzahlsteuerung) entspricht. Der Staubsauger ohne Drehzahlsteuerung kann die Drehzahl bei extremer Drosselung allerdings nicht mehr auf dem Wert von U/min halten, solche Betriebspunkte sind hier zunächst nicht weiter untersucht worden. In Bild 12 ist die Druckzahl ψ fa, der Wirkungsgrad η und die spezifische Schalleistung Lw s über die Durchflußzahl ϕ bei einer Drehzahl von U/min aufgetragen. Die Kurven der Motordeckel MD2 und MD3 liegen bei den aerodynamischen Kennlinien fast übereinander, wobei bei zunehmender Drosselung die ψ fa - und η-werte von MD1 gegenüber MD2 und MD3 größer werden. Der Optimalpunkt dieser Kurven liegt bei ϕ =0,015. Bei der akustischen Kennlinie ist zu sehen, daß MD3 im Optimalpunkt eine um etwa 1,5dB höhere spezifische Schalleistung Lw s gegenüber MD1 und MD2 hat. Die größte Differenz der spezifischen Schalleistung von MD3 und MD2 liegt einmal

28 Kapitel 4: Meßergebnisse 28 links vom Optimalpunkt bei ϕ = 0,0104 und rechts vom Optimalpunkt bei ϕ = 0,0208 mit ungefähr 2,7dB. MD1 hat im Optimalpunkt ungefähr die spezifischen Schalleistung wie MD2. Bei ϕ = 0,0104 liegt MD1 um 2dB niedriger als MD3 und bei ϕ = 0,0208 um 1,8dB niedriger. Der Ventilator erreicht mit dem Motordeckel mit acht Statorschaufeln im Optimalpunkt einen höheren Wirkungsgrad und eine größere Druckzahl als mit den anderen Motordeckeln. Beim akustischen Vergleich ist MD1 im Optimalpunkt um 0,2dB schlechter als MD2, der die niedrigste spezifische Schalleistung hat. Aber aufgrund der Meßungenauigkeit, kann man bei so geringen Unterschieden jedoch nicht von einer Lärmreduktion sprechen. Die Meßdaten werden im folgenden detailliert zusammengefaßt und dokumentiert.

29 Kapitel 4: Meßergebnisse 29

30 Kapitel 4: Meßergebnisse 30 Betriebspunkt beim Optimum Freifeld Kanal ϕ ψ fa η Lp Lp-A Lw s Lw s -A Lp Lp-A Lw s Lw s -A [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] MD1 0,015 0,605 0,33 89,6 90,1 31,6 32,1 124,3 122,8 29,7 28,2 MD2 0,015 0,587 0,32 88,9 89,6 31, ,3 120,7 27,2 26,5 MD3 0,015 0,585 0,32 90,6 91, ,7 121, ,7 26,9 Tabelle 1: Aerodynamische und akustische Meßwerte beim Optimalpunkt gleicher Lieferzahl und konstanter Drehzahl von U/min. In Tabelle 1 sind die aerodynamischen und akustischen Kenngrößen des Ventilators mit den Motordeckel MD1, MD2 und MD3 bei ihren Optimalpunkten aufgetragen. Diese Werte sind bei einer Drehzahl von U/min, einer Lieferzahl von ϕ= 0,015 und bei der gleichen Drosselgeometrie von 50 (dies entspricht eine Verkleinerung des Rohrquerschnittes um ungefähr 55%) gemessen worden. Bei diesem Betriebspunkt hat der Ventilator mit MD1 einen Wirkungsgrad von 33%, der um 1% höher liegt als der von MD1 und MD2. Die Druckzahl von MD1 ist um ψ fa =0,018 größer als die von MD2 und um ψ fa =0,02 größer als MD3. Diese Differenzwerte entsprechen ungefähr 3,2% der Gesamtdruckerhöhung bei p fa =10500Pa. Diese Werte zeigen, daß der Ventilator mit MD1 aerodynamisch besser ist als mit MD2 und mit MD3. Bei den im Freifeld gemessenen Schalldruckpegeln ist der Ventilator mit MD2 im Vergleich zu MD1 um 0,7dB und zu MD3 um 1,7dB leiser. Bei den im Kanal gemessenen Schalldruckpegel ist der Ventilator mit MD2 gegenüber zu MD1 um 2,9dB und zu MD3 um0,4db leiser. Urteilt man gemäß dem spezifischen Schalleistungspegel im Freifeld, ist der Ventilator mit MD2 gegenüber MD1 um 0,3dB und MD3 um 1,7dB leiser. Im Kanal ist der Ventilator mit MD2 gegenüber MD1 um 2,5dB und gegenüber MD3 um 0,5dB leiser.

31 Kapitel 4: Meßergebnisse 31 In den Bildern 13a-c sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Kanal für die entsprechenden Motordeckel zu sehen. In Bild 13a hat MD1 zwischen 200Hz und 1400Hz einen deutlich höheren Pegel als MD1. Die erste Blattfolgefrequenz (3600Hz) tritt nur bei MD1 auf, wobei für MD2 und MD3 nur die vierte Ordnung der Drehzahl stark in Erscheinung tritt. Bei 4600Hz sieht man mehr oder weniger deutlich die Cut- On-Frequenz der saugseitigen Rohrstrecke. Die Spektren von MD2 und MD3 sind praktisch identisch. In den Bildern 14a-c sind die Vergleiche der Schalldruckpegel für die Motordeckel im Freifeld dargestellt. In Bild 14a liegt der Pegel von MD1 zwischen 400Hz und 2400Hz ungefähr 3-4dB höher als der Pegel von MD2. Wie im Kanal sind auch hier die Spektren von MD2 und MD3 praktisch identisch. Folglich sind die Verläufe der Spektren in Bild 14b ähnlich wie in Bild 14a.. In den Bildern 15 und 16 sind die Vergleiche der A-bewerteten Schalldruckpegel zu sehen, die im Vergleich zu den linearen Schalldruckpegeln keine bemerkenswerten Unterschiede zeigen.

32 Kapitel 4: Meßergebnisse 32

33 Kapitel 4: Meßergebnisse 33

34 Kapitel 4: Meßergebnisse 34

35 Kapitel 4: Meßergebnisse 35

36 Kapitel 4: Meßergebnisse 36 Betriebspunkt beim ungedrosselten Zustand Freifeld Kanal ϕ ψ fa η Lp Lp-A Lw s Lw s -A Lp Lp-A Lw s Lw s -A [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] MD1 0,022 0,296 0,24 91,6 92,2 38,1 38,7 121,5 118,3 31,4 28,2 MD2 0,022 0,298 0,24 90,5 91, ,7 119,9 117,9 29,9 27,9 MD3 0,022 0,296 0,23 92,2 93,1 38,8 39,7 120,6 117,9 30,7 28 Tabelle 2: Aerodynamische und akustische Meßwerte beim ungedrosselten Zustand. In Tabelle 2 sind die aerodynamischen und akustischen Kenngrößen des Ventilators mit den Motordeckel MD1, MD2 und MD3 im ungedrosselten Zustand aufgetragen. Die Messungen erfolgten bei einer Drehzahl von 25000U/min, dies ergab für die drei Konfigurationen eine Lieferzahl von ϕ=0,022. Aerodynamisch betrachtet ist hier MD2 mit einem Wirkungsgrad von 24 % und einer Druckzahl von ψ fa =0,298 der bessere Motordeckel. Bei einer Gesamtdruckerhöhung von p fa =5117Pa entspricht der Differenzwert ψ fa =0,002 ungefähr 34Pa, was 0,6 % der Gesamtdruckerhöhung ausmacht. Folglich kann man hier nicht von einer aerodynamischen Verbesserung sprechen. Auch beim Schalldruckpegel weist MD2 bessere Werte auf. Mit 1,1dB ist er gegenüber MD1 und mit 1,7dB gegenüber MD3 leiser. Im Freifeld ist MD2 dann beim spezifischen Schalleistungspegel gegenüber MD1 um 1,1dB und gegenüber MD3 um 1,8dB leiser. Im Kanal ist MD2 im Vergleich zu MD1 um 0,5dB und zu MD3 um 0,8dB leiser.

37 Kapitel 4: Meßergebnisse 37 In Bild 17a- c sind die Vergleiche der Schalldruckpegel des Ventilators mit MD1, MD2 und MD3 im Kanal zu sehen. Bei allen drei Vergleichen sind die Spektren identisch. Die erste Blattfolgefrequenz (3600Hz) tritt bei allen drei Motordeckeln auf. Bei MD1 ist hier besonders die achte Ordnung (3200Hz) der Drehzahl stark ausgeprägt. Wobei sich bei MD2 und MD3 die vierte Ordnung (1600Hz) der Drehzahl hervorhebt. Dies hat vermutlich damit zu tun, daß die Motordeckel MD2 und MD3 vier Statorschaufeln und MD1 acht Statorschaufeln hat. In Bild 18a-c sind die Vergleiche der Schalldruckpegel im Freifeld zu sehen. Die Spektren von MD1 und MD2 unterscheiden sich kaum voneinander. Nach Bild 18b ist der Pegel von MD3 zwischen 600Hz und 4200Hz ungefähr um 2dB höher als der von MD1.

38 Kapitel 4: Meßergebnisse 38

39 Kapitel 4: Meßergebnisse 39

40 Kapitel 4: Meßergebnisse 40 Betriebspunkt bei einer Drosselung von 78% Freifeld Kanal ϕ ψ fa η Lp Lp-A Lw s Lw s -A Lp Lp-A Lw s Lw s -A [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] MD1 0,003 0,837 0,18 95, ,9 41,7 130, ,1 MD2 0,003 0,818 0,17 95,3 96,2 41,2 42,1 125, ,7 34,4 MD3 0,003 0,817 0,17 96,4 97,4 42,4 43,4 125,4 125,3 34,8 34,7 Tabelle 3: Aerodynamische und akustische Meßwerte bei 78% Drosselung. In Tabelle 3 sind die aerodynamischen und die akustischen Meßwerte des Ventilators mit MD1, MD2 und MD3 bei einer Drosselgeometrie von 70 (dies entspricht eine Verkleinerung des Rohrquerschnittes um etwa 78%) aufgetragen. Die Messungen erfolgten bei einer Drehzahl von 24000U/min und einer Lieferzahl von ϕ=0,003. Aerodynamisch ist MD1 mit einer ungefähren Druckzahldifferenz von ψ fa =0,019 und einem Wirkungsgradunterschied von einem Prozent gegenüber MD2 und MD3 besser. Der Unterschied von ψ fa =0,019 entspricht bei einer Gesamtdruckerhöhung von p fa =14559Pa ungefähr 326Pa, die etwa 2,3% der Gesamtdruckerhöhung ausmacht. Auch beim Schalldruckpegel und bei der spezifischen Schalleistung im Freifeld sind keine großen Unterschiede zu erkennen. Bei der Schalleistung ist MD1 um 0,3dB gegenüber MD2 und um 1,5dB gegenüber MD3 leiser. Im Kanal ist der Unterschied beim Schalldruckpegel zwischen MD1 und den beiden anderen Motordeckel, die fast die identischen Werte haben, sehr groß. MD1 ist gegenüber MD2 und MD3 um etwa 5,5dB lauter. Und, die aerodynamischen Werte mit einbezogen, ist der Unterschied beim spezifischen Schalleistungspegel etwa 6,3dB. In den Bildern 19a-c sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Kanal dargestellt. Nach Bild 19c sind zwischen den Schalldruckpegeln von MD2 und MD3 keine bemerkenswerten Unterschiede zu sehen, die in Tabelle 3 zusammengefaßten Meßwerte bestätigen dies. Bei 1600Hz tritt bei beiden Motordeckeln die vierte Ordnung der Drehzahl stark in Erscheinung. Der Peak bei 1800Hz ist vermutlich Ursache einer Resonanzfrequenz innerhalb des Lüfters.

41 Kapitel 4: Meßergebnisse 41 In den Bildern 19a und 19b ist zu sehen, daß sich bei MD1 zwischen 500Hz und 1000Hz ein Berg bildet, der einen maximalen Differenzpegel zu MD2 und MD3 von ungefähr 15dB erreicht. In Bild 20a-c sind die Vergleiche der Schalldruckpegel im Freifeld zu sehen. Auch hier sind die Spektren von MD2 und MD3 identisch. Die vierte Ordnung der Drehzahl und die vermutliche Resonanzfrequenz (1800Hz) die im Kanal stark ausgeprägt waren, treten auch im Freifeld stark in Erscheinung. In den Bildern 20b und 20c wird MD1 mit MD2 und MD3 verglichen. Zwischen ungefähr 400Hz und 2000 Hz liegt der Pegel von MD1 gegenüber MD2 und MD3 breitbandig um etwa 5dB höher. Dies wird in der Art interpretiert, daß die Strömungsverhältnisse mit MD1 in Hinsicht auf breitbandige Strömungsverhältnisse schlechter sind als bei MD2 und MD3. Bei starker Drosselung zeigt MD1 jedoch eine breitbandige Pegelerhöhung, die von einer Fehlanströmung verursacht sein könnte.

42 Kapitel 4: Meßergebnisse 42

43 Kapitel 4: Meßergebnisse 43

44 Kapitel 4: Meßergebnisse 44 Zusammenfassung Hier wurde nur der Ventilator an einem eigens aufgebauten Kanalprüfstand für drei verschiedene Motordeckel an drei verschiedenen Betriebspunkten aerodynamisch und akustisch untersucht. Es sollte herausgefunden werden, welcher der drei Motordeckel am besten für den Ventilator geeignet ist. Im Freifeld(druckseitig) ist der Ventilator mit MD1 und MD2 leiser als mit MD3. Sowohl beim Schalldruckpegel als auch bei der spezifischen Schalleistung im Kanal(saugseitig) dagegen ist der Ventilator mit MD2 und MD3 leiser als mit MD1. Die Unterschiede der verschiedenen Motordeckel sind insgesamt recht gering, dennoch erscheint MD1 als der günstigste Motordeckel, da die aerodynamische Leistung deutlich am besten ist.

45 Kapitel 4: Meßergebnisse Untersuchung der Motordeckel im Staubsauger Gemäß Abschnitt 4.1 ist der Motordeckel MD1 mit den acht Statorschaufeln der beste der untersuchten Motordeckel beim Kanalversuch. Um zu ermitteln, wie sich der Ventilator mit den unterschiedlichen Motordeckeln im eingebauten Zustand verhält, wurden folgende Meßreihen durchgeführt: 1. Vergleich der Motordeckel a) Staubsauger mit dem Motordeckel MD1(acht Statorschaufel), b) Staubsauger mit dem Motordeckel MD2(4 Statorschaufel), c) Staubsauger mit dem Motordeckel MD3(4 Statorschaufel und abgeschnittene Ecken). Bei den Messungen sind nur die Motordeckel ausgetauscht worden, ansonsten ist am Staubsauger nichts verändert worden.

46 Kapitel 4: Meßergebnisse 46 Betriebspunkt beim Optimum Freifeld Kanal ϕ ψ fa η Lp Lp-A Lw s Lw s -A Lp Lp-A Lw s Lw s -A [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] MD1 0,006 0,602 0,175 87,3 87,2 31,7 31,6 124,1 118,7 31,6 26,2 MD2 0,006 0,589 0,162 84,1 83,1 28,8 27,8 123,9 118,3 31,7 26,1 MD3 0,006 0,582 0, ,2 29, ,6 118,1 31,6 26,1 Tabelle 4 : Aerodynamische und akustische Meßwerte beim Optimalpunkt, gleicher Lieferzahl und konstanter Drehzahl von U/min. In Tabelle 4 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des Staubsaugers mit MD1, MD2 und MD3 bei ihren Optimalpunkten aufgetragen. Die Meßwerte sind bei einer Drehzahl von U/min, einer Lieferzahl von ϕ=0,006 und einer Drosselgeometrie von 30 (dies entspricht einer Verkleinerung des Rohrquerschnittes um etwa 33%) ermittelt worden. Nach Tabelle 4 hat der Staubsauger mit MD1 gegenüber MD2 und MD3 einen Wirkungsgrad der um ungefähr 1% zu MD2 und um ungefähr 1,3% zu MD3 besser ist. Bei der Druckzahl ist MD1 mit einer maximalen Druckerhöhung von p fa =12371Pa um ungefähr 270Pa besser als MD2 und MD3. Das sind ungefähr 2,2% der Gesamtdruckerhöhung. Bei solchen minimalen Unterschieden kann man sagen, daß die Motordeckel sich aerodynamisch in etwa gleich verhalten, MD1 aber am günstigsten abschneidet. Beim Schalldruckpegel im Freifeld ist der Staubsauger mit MD1 gegenüber MD2 um 3,2dB und gegenüber MD3 um 2,3dB lauter. Zusammen mit den aerodynamischen Werten ist der Staubsauger mit MD1 beim spezifischen Schalleistungspegel gegenüber MD2 um 2,9dB und gegenüber MD3 um 1,9dB lauter. Im Kanal dagegen ist der Staubsauger mit allen drei Motordeckeln fast gleich laut. Zusammenfassend kann man sagen, daß sich der Staubsauger mit MD1 bei den aerodynamischen Meßdaten gegenüber MD2 und MD3 minimal besser verhält aber akustisch im Freifeld schlechter ist. Im Kanal sind alle drei Motordeckel gleich laut.

47 Kapitel 4: Meßergebnisse 47 In den Bildern 21a-c sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Kanal zu sehen. Es sind keine Unterschiede bei den Schalldruckspektren zu erkennen. In Bild 22a-c sind die Vergleiche der Schalldruckpegel im Freifeld aufgetragen. Wie in der Tabelle 4 bestätigt, ist in den Bildern 22a und 22b zu sehen, daß der Schalldruckpegel des Staubsaugers mit MD1 ungefähr zwischen 450Hz und 2000Hz um etwa 3dB höher liegt als bei MD2 und MD3

48 Kapitel 4: Meßergebnisse 48

49 Kapitel 4: Meßergebnisse 49

50 Kapitel 4: Meßergebnisse 50 Betriebspunkt bei einer Drosselung von 22% Freifeld Kanal ϕ ψ fa η Lp Lp-A Lw s Lw s -A Lp Lp-A Lw s Lw s -A [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] MD1 0,003 0,71 0, ,7 33,7 118,2 113, ,4 MD2 0,003 0,693 0,12 88,4 86,7 33,5 31,8 117, ,8 21,3 MD3 0,003 0,694 0,12 86,5 86,6 31,6 31,7 116,8 112, ,8 Tabelle 5: Aerodynamische und akustische Meßwerte bei einer Drosselung von 22%. In Tabelle 5 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des Staubsaugers mit MD1, MD2 und MD3 bei einer Drehzahl von U/min, einer Lieferzahl von ϕ=0,003 und einer Drosselung von 22% ermittelt worden. Der Staubsauger mit MD1 hat gegenüber MD2 und MD3 einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Druckzahl, die um etwa ψ fa =0,017 größer ist. Diese Differenz von ψ fa =0,017 entspricht ungefähr 2,4% der Gesamtdruckerhöhung bei p fa =15750Pa. Im Freifeld hat der Staubsauger mit MD3 den niedrigsten Schalldruckpegel. Auch beim spezifischen Schalleistungspegel hat der Staubsauger mit MD3 den niedrigsten Pegel, der mit 1,9dB leiser als MD2 und um 2,1dB leiser als MD1 ist. Im Kanal ist der Staubsauger mit MD3 beim Schalldruckpegel um 0,7dB leiser als MD2 und um 1,4dB leiser als MD1 und beim spezifischen Schalleistungspegel ist MD3 um 1dB leiser als MD1 und um 0,8dB leiser als MD2. In den Bildern 23a-c sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Kanal zu sehen. Beim Vergleich der Schalldruckspektren von MD1 mit MD2 und MD3 ist in den Bildern 23a und 23b zu sehen, daß MD1 ungefähr zwischen 600Hz und 1400Hz einen höheren Pegel hat als MD2 und MD3. In Bild 23c ist zwischen den Pegeln von MD2 und MD3 kein Unterschied zu sehen. In den Bildern 24a-c sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Freifeld zu sehen. Unterhalb von 2000Hz zeigt MD1 wieder eine breitbandige Pegelanhebung von bis zu 5dB, die von einer Fehlanströmung herrühren könnte.

51 Kapitel 4: Meßergebnisse 51

52 Kapitel 4: Meßergebnisse 52

53 Kapitel 4: Meßergebnisse Untersuchung der Ventilatordeckel im Originalstaubsauger Im folgenden werden die im Kapitel 3 beschriebenen Ventilatordeckel auf ihre aerodynamischen und akustischen Kenngrößen untersucht. Bei dem Originalstaubsauger wurden nur die in Bild 25 zu sehenden Ventilatordeckel ausgetauscht. Die Meßwerte in den Tabellen 6,7 und 8 wurden bei einer konstanten Drehzahl von 25200U/min ermittelt. In den Tabellen 9,10 und 11 sind die Meßwerte bei solchen Betriebspunkten ermittelt worden, die ungefähr den eigentlichen Betriebszuständen des kommerziellen Staubsaugers entsprechen. Für die Untersuchung wurden drei Betriebspunkte ausgewählt, die sich in der Nähe des Optimalpunktes des kommerziellen Staubsaugers befinden. VD1 VD2 a) b) Bild 25: Ventilatordeckel a) Originaldeckel-VD1, b) modifiziertes Deckel-VD2.

54 Kapitel 4: Meßergebnisse 54 Betriebspunkt bei ϕ= 0,00988 Freifeld Kanal ψ fa η Lp Lp-A Lw s Lw s -A Lp Lp-A Lw s Lw s -A [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] VD1 0,3321 0,12 84,1 83,5 32,4 31,8 129,3 120,1 40,8 31,6 VD2 0,4195 0, ,9 26,3 25,2 129,1 120,6 38,5 30 Tabelle 6: Aerodynamische und akustische Meßwerte des Staubsaugers mit VD1 und VD2 bei n=25200 U/min und ϕ= 0, In Tabelle 6 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des Staubsaugers mit VD1 und VD2 bei einer Drehzahl von U/min und einer Lieferzahl von ϕ=0,00988 aufgetragen. Der Staubsauger mit VD2 hat eine um ψ fa =0,0874 höhere Druckzahl. Das entspricht bei einer Gesamtdruckerhöhung von p fa =6263Pa für VD1 eine Erhöhung um 26,6%.Der Wirkungsgrad von VD2 ist um 4% höher als VD1. Beim Schalldruckpegel im Freifeld ist der Staubsauger mit VD2 um 4,1dB leiser als mit VD1. Folglich ist die spezifische Schalleistung im Freifeld von VD2 um 6,1dB leiser VD1. Beim Schalldruckpegel im Kanal dagegen ist VD2 nur um 0,2dB besser als VD1. Aufgrund der besseren aerodynamischen Meßwerten ist VD2 bei der spezifischen Schalleistung im Kanal um 2,3dB leiser als VD1. In Bild 26a ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Kanal zu sehen. Bis 1400Hz sind die Pegeln von VD1 und VD2 gleich groß. Ab 1400Hz steigt der Pegel von VD2 gegenüber VD1. In Bild 27a ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Freifeld zu sehen. Zwischen etwa 200Hz und 3200Hz ist der Pegel von VD1 deutlich größer als der Pegel von VD2.

55 Kapitel 4: Meßergebnisse 55

56 Kapitel 4: Meßergebnisse 56

57 Kapitel 4: Meßergebnisse 57 Betriebspunkt bei ϕ=0,00879 Freifeld Kanal ψ fa η Lp Lp-A Lw s Lw s -A Lp Lp-A Lw s Lw s -A [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] VD1 0,4063 0,14 83,3 82,9 30, ,2 118,7 38,4 28,9 VD2 0,4714 0,17 79,8 78,6 25,6 24,4 128,7 119,8 37,6 28,7 Tabelle 7: Aerodynamische und akustische Meßwerte des Staubsaugers mit VD1 und VD2 bei n=25200 U/min und ϕ= 0, In Tabelle 7 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des Staubsaugers mit VD1 und VD2 bei einer Drehzahl von U/min und bei einer Lieferzahl von ϕ= 0,00879 aufgetragen. Bei diesem Betriebspunkt hat der Staubsauger mit VD2 einen um 3% besseren Wirkungsgrad und eine um ψ fa =0,0651größere Druckzahl. Die Differenz der Druckzahlen von VD1 und VD2 entspricht ungefähr 1239Pa bei einer maximalen Druckerhöhung von p fa =7665Pa. Das sind ungefähr 16% der Gesamtdruckerhöhung von VD1. Der Schalldruckpegel im Freifeld von VD2 ist um 3,5dB kleiner als der Schalldruckpegel von VD1. Zusammen mit den aerodynamischen Meßwerten ist dann der Staubsauger mit VD2 nach der spezifischen Schalleistung im Freifeld um 4,8dB leiser als mit dem Originaldeckel VD2. Im Kanal dagegen ist der Staubsauger mit VD2 nach dem Schalldruckpegel sogar um 0,5dB lauter als mit VD1. Aufgrund der besseren aerodynamischen Meßwerte ist VD2 nach der spezifischen Schalleistung um 0,8dB leiser als VD1. In Bild 26b ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Kanal zu sehen. Wie in Bild 27a sind auch hier die Pegel fast identisch. Erst ab ungefähr 2000Hz steigt der Pegel von VD2 gegenüber VD1. In Bild 27b ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Freifeld zu sehen. Wie in Bild 27a ist auch hier der Schalldruckpegel von VD1 zwischen etwa 200Hz und 3200Hz deutlich höher als der Schalldruckpegel von VD2.

58 Kapitel 4: Meßergebnisse 58 Betriebspunkt bei ϕ=0,00615 Freifeld Kanal ψ fa η Lp Lp-A Lw s Lw s -A Lp Lp-A Lw s Lw s -A [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] VD1 0,5746 0,16 83,4 83, ,9 123,8 117,2 32,6 26 VD2 0,5979 0, ,9 25,3 24,2 123,4 117,4 31,8 25,8 Tabelle 8: Aerodynamische und akustische Meßwerte des Staubsaugers mit VD1 und VD2 bei n=25200 U/min und ϕ=0, In Tabelle 8 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des Staubsaugers mit VD1 und VD2 bei einer Drehzahl von U/min und einer Lieferzahl von ϕ=0,00615 ermittelt worden. Bei diesem Betriebspunkt sind die Unterschiede bei den aerodynamischen Größen nicht so groß wie in den vorherigen Betriebspunkten. Die Druckzahl von VD2 ist hier nur um 0,0233 größer als die Druckzahl von VD1. Das entspricht ungefähr 4,1% der Gesamtdruckerhöhung des Staubsaugers mit VD1. Und auch der Wirkungsgrad von VD2 ist jetzt nur noch um 1% größer als der Wirkungsgrad von VD1. Der Schalldruckpegel im Freifeld von VD2 ist um 3,4dB kleiner als VD1. Insgesamt ist der Staubsauger mit VD2 im Freifeld nach der spezifischen Schalleistung um 3,7dB leiser als mit VD1. Im Kanal allerdings sind wie in den vorherigen Betriebspunkten kaum Unterschiede zwischen VD1 und VD2 zu erkennen. Der Staubsauger mit VD2 ist im Kanal nach der spezifischen Schalleistung um 0,8dB leiser als mit VD1. In Bild 26c ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Kanal zu sehen. Die Spektren von VD1 und VD2 sind hier identisch. In Bild 27c ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Freifeld zu sehen. Im Vergleich zu den Bildern 27a und 27b scheint der Pegel von VD1 zwischen 200Hz und 1000Hz kleiner geworden zu sein. Zwischen 1000Hz und 3200Hz liegt der Pegel von VD1 deutlich höher als der Pegel von VD2. Bei 2100Hz ist von VD1 die fünfte Ordnung der Drehzahl vermutlich aufgrund einer Resonanz stark ausgeprägt.

59 Kapitel 4: Meßergebnisse 59 Zusammenfassung In diesem Abschnitt sind die Ergebnisse des Staubsaugers mit unterschiedlichen Ventilatordeckeln dokumentiert worden. Die Untersuchung der beiden Ventilatordeckel hat ergeben, daß der Staubsauger mit dem modifizierten Ventilatordeckel bei dem ersten Betriebspunkt im Freifeld um 6,1dB, bei dem zweiten Betriebspunkt um 4,8dB und bei dem dritten Betriebspunkt um 3,7dB leiser ist. Der Grund, warum sich bei den Schalldruckpegel im Kanal zwischen den beiden Ventilatordeckeln keine Unterschiede zeigen, hängt vermutlich mit der Geometrie im Staubsaugergehäuse zusammen. Bei der Untersuchung fällt auch auf, daß bei kleiner werdender Lieferzahl die aerodynamischen Werte des Originaldeckels näher an die Werte des modifizierten Ventilatordeckels kommen. Das wird vermutlich damit zusammenhängen, daß bei großem Durchfluß aufgrund des sehr kleinen Abstandes zwischen Laufradaustritt und der Deckelwand des Originaldeckels, die Strömung mit Verzögerung aus dem Laufrad austritt und das führt vermutlich am Laufradaustritt zu einem erheblichem Druckabfall (siehe auch Kapitel 3,Ventilatordeckel).

60 Kapitel 4: Meßergebnisse 60 Betriebspunkt bei einer Drosselung von 50% In Tabelle 9 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des Staubsaugers mit VD1 und VD2 bei unterschiedlichen Drehzahlen und unterschiedlichen Lieferzahlen aufgetragen. Die Messungen erfolgten bei einer konstanten Drosselgeometrie von 45 ( dies entspricht eine Verkleinerung des Rohrquerschnittes um 50%). Außerdem wurde hier der Spannungsumrichter, mit dem die Drehzahl variiert wird, zwischen der Stromversorgung und dem Staubsaugermotor bewußt weggelassen, damit diese Messung dem realen Betriebszustand des kommerziellen Staubsaugers entspricht. Die Drosselung von 50% beim Prüfstand entspricht ungefähr der Drosselung des kommerziellen Staubsaugers beim Saugen eines Teppichs. Dies ist in einem eigenen Versuch über einen Vergleich des statischen Drucks festgestellt worden. Anstatt der Rohrstrecke mit der Drosselklappe wurde dabei die in Bild 28 dargestellte Saugdüse des Staubsaugers mit der Hand gegen die Rohrleitung gedrückt und gleichzeitig ein Teppichstück gegen die Saugdüse gehalten, dann wurde der statische Unterdruck am Eintritt abgelesen. Nachdem die Rohrstrecke mit der Drosselklappe wieder in den Prüfstand eingebaut war, ist der Staubsauger mittels Drosselklappe so lange gedrosselt worden, bis der mit der Saugdüse ermittelte statische Unterdruck erreicht worden ist. Die damit ermittelte Stellung der Drosselklappe am Prüfstand entspricht ungefähr der Drosselung des kommerziellen Staubsaugers bei seinem realen Betriebszustand. Bild 28: Saugdüse des Staubsaugers, aus TEE Betriebsanleitung.

61 Kapitel 4: Meßergebnisse 61 Freifeld Kanal n ϕ ψ fa η Lp Lp-A Lw s Lw s -A Lp Lp-A Lw s Lw s -A [U/min] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] VD ,0098 0,3586 0, ,9 30,7 29,6 128,4 119,8 39,2 30,6 VD , ,3953 0,15 80,3 79,5 27,1 26,3 129,3 120,8 39,2 30,7 Tabelle 9: Aerodynamische und akustische Meßwerte bei einer Drosselung von 50%. Nach Tabelle 9 erreicht der Staubsauger mit dem modifizierten Ventilatordeckel VD2 eine größere Lieferzahl, eine größere Druckzahl und einen besseren Wirkungsgrad bei einer kleinerer Drehzahl gegenüber dem Staubsauger mit dem Originalventilatordeckel VD1.Die Druckzahlerhöhung von 0,0367 entspricht 10,3% der Gesamtdruckerhöhung von 6775Pa des Staubsaugers mit dem Originaldeckel VD1. Beim Schalldruckpegel im Freifeld(druckseitig) ist der Staubsauger mit dem modifizierten Ventilatordeckel um 2,7dB leiser. Zusammen mit den besseren aerodynamischen Meßwerten ist der Staubsauger mit dem modifizierten Ventilatordeckel VD2 nach der spezifischen Schalleistung um 3,6dB leiser. Im Kanal (druckseitig) dagegen ist der Schalldruckpegel von VD2 sogar um 0,9dB größer als der Schalldruckpegel von VD1. Nach der spezifischen Schalleistung sind VD1 und VD2 gleich laut. In Bild 29 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Kanal(saugseitig) zu sehen. Bis ungefähr 400Hz sind beide Spektren identisch. Nach 400Hz sieht man, daß der Spektrum von VD2 etwa um 2dB höher liegt als VD1. In Bild 30 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Freifeld(druckseitig) zu sehen. Bis etwa 4500Hz ist ein deutlich höherer Pegel von VD1 gegenüber VD1 zusehen.

62 Kapitel 4: Meßergebnisse 62

63 Kapitel 4: Meßergebnisse 63 Betriebspunkt beim Optimum Freifeld Kanal n ϕ ψ fa η Lp Lp-A Lw Lw s -A Lp Lp-A Lw s Lw s -A [U/min] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] [db] VD , ,5823 0, ,2 29, ,6 118,1 31,6 26,1 VD , ,4719 0,169 80,2 79,4 25, ,7 120,3 37,4 29 Tabelle 10: Aerodynamische und akustische Meßwerte beim Optimalpunkt, nicht konstante Drehzahl und ungleiche Lieferzahl. In Tabelle 10 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des Staubsaugers mit dem Originalventilatordeckel und mit dem modifizierten Ventilatordeckel bei ihren Optimalpunkten aufgetragen. Auch bei diesen Meßpunkten ist der Staubsauger direkt an die Steckdose angeschlossen werden. Der Staubsauger mit dem Originalventilatordeckel VD1 erreicht seinen Optimalpunkt bei einer Drosselgeometrie von 30 (dies entspricht eine Verkleinerung des Rohrquerschnittes um etwa 33%) und mit dem modifizierten Ventilatordeckel VD2 erreicht der Staubsauger seinen Optimalpunkt bei einer Drosselung von etwa 44%. Aufgrund der ungleichen Drosselgeometrie, ungleicher Drehzahl und ungleicher Lieferzahl ist hier unter den unterschiedlichen Konfigurationen kein fairer Vergleich bei den aerodynamischen Kenngrößen möglich. Nach der Tabelle 10 hat VD2 gegenüber VD1 eine kleinere Drehzahl und eine größere Lieferzahl bei kleinerer Druckzahl. Urteilt man gemäß dem spezifischen Schalleistungspegel im Freifeld(druckseitig), ist der Staubsauger mit dem modifizierten Ventilatordeckel VD2 um 4dB leiser als mit dem Originaldeckel. Im Kanal (saugseitig) dagegen ist der Staubsauger mit dem Originaldeckel VD1 um 5,8dB leiser als mit dem modifizierten Ventilatordeckel. In den Bildern 31 und 32 sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Kanal(saugseitig) und im Freifeld(druckseitig) zu sehen. Die akustischen Meßwerte in der Tabelle 10 werden auch hier bestätigt.

64 Kapitel 4: Meßergebnisse 64

65 Kapitel 4: Meßergebnisse Vergleiche der aerodynamischen und akustischen Meßgrößen des Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers In diesem Abschnitt werden die aerodynamischen und akustischen Meßgrößen des Staubsaugers in seinem Originalzustand und des modifizierten Staubsaugers bei verschiedenen Betriebspunkten miteinander verglichen. In Bild 33 sind die veränderten Teile im Vergleich zu ihren Originalen zu sehen (siehe auch Kapitel 3). Bei dem modifizierten Staubsauger ist das Kunststoffgitter mit dem Drahtgitter und der Originalventilatordeckel VD1 mit dem modifizierten Ventilatordeckel VD2 ausgetauscht und zusätzlich ist noch in das Loch, wo sich ursprünglich das Kunststoffgitter befand, eine Einlaufdüse eingebaut worden. Original Modifiziert Bild 33: Gegenüberstellung der originalen und der modifizierten Objekte.