3D- Strömungsberechnungen zur aerodynamischen Optimierung von Hochleistungsgebläsen

optimale Konfigurationen der Gebläse gefunden werden und experimentelle Untersuchungen auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Darüber hinaus erlaubt diese Methode ein umfassenderes Verständnis der Strömungsphänomene als Voraussetzung zur Steigerung der Effizienz von Hochleistungsgebläsen und zur Verkürzung der Entwicklungszeiten. Entwurf industrieller Gebläse für neue Anforderungen In der Vergangenheit war der Markt für Hochleistungsgebläse primär durch die Beschaffungsbzw. Herstellungskosten der Maschinen geprägt, während Effizienz, Leistungsdichte und Leistungs- 3D- Strömungsberechnungen zur aerodynamischen Optimierung von Hochleistungsgebläsen Dr. Wilfried Rick, Dr. Eribert Benz, Alain Godichon Während die Forschung im Bereich der Strömungsphysik noch vorwiegend experimentell betrieben wird, setzt sich die Simulation als bevorzugtes Verfahren für die eingehende Untersuchung von Strömungsvorgängen immer stärker durch. Bei ABB sind für den Entwurf von Hochleistungsgebläsen auch CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) auf der Basis von 3D-Navier-Stokes-Gleichungen herangezogen worden, um neue optimale Konfigurationen für Komponenten von Strömungsmaschinen zu ermitteln und experimentelle Untersuchungen auf ein Minimum zu beschränken. Zusätzlich kann das Betriebsverhalten der Gebläse insgesamt optimiert werden, und neue Produkte können bei geringerem Risiko in kürzerer Zeit entwickelt werden. Darüber hinaus haben die Simulationen gezeigt, dass sich CFD routinemäßig zur Abstimmung von Maschinenkomponenten in vielen anderen Anwendungen einsetzen lässt. In Ergänzung zu experimentellen Untersuchungen werden von den meisten Herstellern von Ventilatoren empirische 1D- oder 2D-Strömungsberechnungen für den grundlegenden aerodynamischen Entwurf von Hochleistungsgebläsen herangezogen [1]. Die im Vergleich zu anderen Turbomaschinen geringe Anzahl von Veröffentlichungen zur Anwendung von 3D-Strömungsberechnungen auf Industrieventilatoren unterstützt die Vermutung, dass Hochleistungsventilatoren überwiegend auf der Basis von Ähnlichkeitsgesetzen oder der genannten vereinfachten Berechnungsmethoden entworfen werden. Dieses Verfahren, das bekanntlich umfangreiche Datenbanken erfordert und nur für ähnliche Maschinen anwendbar ist, ist zeit- und kostenintensiv und liefert keine Erkenntnisse über das detaillierte Strömungsverhalten, insbesondere bei Abweichung von bekannten Maschinenkonzepten. Um genauere Informationen über die Strömungsvorgänge in den Laufschaufelkanälen oder im Gehäuse des Ventilators zu gewinnen, sind langwierige und kostspielige experimentelle Untersuchungen notwendig. Aus diesem Grunde setzt ABB Solyvent-Ventec zunehmend numerische Strömungssimulationen auf der Basis der 3D-Navier-Stokes-Gleichungen ein. Eingebettet in den bisherigen Entwurfs- und Entwicklungsprozess, können nun durch solche Berechnungen ABB Technik 2/2000 77

Technology Review Die ABB Fan Group verfügt über mehrere Prüflabors, die Tests gemäß nationalen und internationalen Normen, wie z. B. ISO, AMCA, NF und BS, durchführen können. regelung von untergeordneter Bedeutung waren. Auf dem heutigen globalen, durch starken Verdrängungswettbewerb gekennzeichneten Markt hingegen wird den Betriebskosten nun ein deutlich höherer Stellenwert zugeordnet. So wird heute beispielsweise von den in Wärmekraftwerken eingesetzten großen Unterwindgebläsen erwartet, dass sie einen hohen aerodynamischen Wirkungsgrad aufweisen, der über einen im Vergleich zu älteren Gebläsen wesentlich größeren Betriebsbereich erreicht wird. Als Anwendungsbeispiel, welches veranschaulicht, wie gut CFD-Simulationen für die Leistungsvorhersage und die eingehende Untersuchung der Gebläseaerodynamik geeignet sind, wird nachfolgend die Analyse eines doppelseitig ansaugenden Radialgebläses hoher spezifischer Drehzahl mit verstellbarem Vorleitapparat(zur Strömungsregelung) und Spiralgehäuse gemäß 2 vorgestellt. Dargestellt sind die Saugkästen mit den verstellbaren Eintrittsleitschaufeln (IGV), die Einläufe und das radiale Laufrad sowie ein typisches Spiralgehäuse konstanter Breite. Die verstellbaren Eintrittsleitschaufeln passen die Betriebskennlinie des Gebläses durch eine Drosselung der Fördermenge an die jeweilige Last an und sollen gleichzeitig eine ausreichend gute Anströmung des Laufrades sichern. Der Mitdrall, den die Einlaufströmung bei konstanter Maschinendrehzahl durch Veränderung der Staffelung der Leitschaufeln erhält, verringert gleichzeitig den Gebläsedruck, so dass der Arbeitspunkt der Maschine längs konstanten Widerstandslinien geregelt werden kann. Das halbaxiale verstellbare Vorleitgitter ist im konischen Austritt des Saugkastens eingebaut. Die verstellbaren Leitschaufeln solcher Umstaffelungsgitter sind typischerweise flache, konische Klappen aus Metallblech, die sich bis zu 90 drehen lassen. Diese einfache, kostengünstige Lösung ermöglicht neben geringen Strömungsverlusten bei voller Öffnung des Vorleitgitters eine näherungsweise Null-Förderung bei vollständig geschlossenem Gitter. Im Teillastbetrieb mit starker Drosselung hingegen führt die meridionale Umlenkung der Strömung bei gleichzeitiger Überlagerung einer Drallkomponente durch das Vorleitgitter zu einer komplexen dreidimensionalen Einlaufströmung. Aufgrund dieser Komplexität sind eindimensionale Berechnungsmethoden zur Erfassung der Druckverluste und insbesondere der Wechselwirkung von Einlauf- und Laufradströmung eher ungeeignet. Das dargestellte doppelseitig ansaugende Laufrad hoher Schluckfähigkeit ist mit einer profilierten, rückwärtsgeneigten Beschaufelung ausgeführt. Bezogen auf den Auslegungsbetriebspunkt des Ventilators ist die Lieferzahl 0,307 und die Druckzahl 1, entsprechend einer spezifischen Drehzahl von 1,65. Die auf Eintrittszustand, Laufradumfangsgeschwindigkeit und Laufradaustrittsbreite bezogene Machzahl und Reynoldszahl beträgt 0,14 bzw. 0,6 10 6. 78 ABB Technik 2/2000

Neue Impulse für Industrieventilatoren durch F&E 2 Schnittzeichnung eines Unterwindgebläses sie zeigt die Saugkästen mit dem verstellbaren Vorleitgitter und dem doppelseitig ansaugendem Laufrad sowie das Spiralgehäuse. Ventilatoren besitzen eine enorme Vielfalt von Maschinentypen und Maschinengrößen mit einem weiten Spektrum von Einsatzgebieten. In der thermischen Verfahrenstechnik werden sie zum Transport von Gasen, Dämpfen und Gas/Feststoff- Gemischen in den Bereichen Ventilation, Kühlung, Trocknung, Klimatisierung und Verbrennung eingesetzt. Industrielle Anwendungen von Ventilatoren sind beispielsweise Wärmekraftwerke, Tunnelbelüftungen, Zementherstellung, chemische und petrochemische Anlagen und Bergwerke. Kleinere Ventilatoren werden als Massenprodukte zur Kühlung von elektronischen Komponenten und Motoren verwendet. CFD-Modelle Die numerische Strömungssimulation (CFD) wird zunehmend als leistungsfähiges Werkzeug zur Vorhersage von komplexen Strömungsvorgängen in Turbomaschinenkomponenten akzeptiert. Unter Ausnutzung dieser Tatsache haben ABB Solyvent-Ventec und ABB Corporate Research Ltd 1 kommerzielle CFD-Software in den Entwurfsprozess von Hochleistungsgebläsen integriert. Die Berechnungsergebnisse des nachfolgend beschriebenen Anwendungsbeispieles dokumentieren, dass auch die Vorhersage der Kennlinien des gesamten Gebläses mit ausreichender Genauigkeit möglich ist. Die aerodynamische Analyse des beschriebenen Radialgebläses erfolgte mit einem kommerziellen CFD-Programm unter der Annahme eines stationären inkompressiblen Strömungsfeldes. Das Programm, das die «Reynolds-gemittelten» Navier- Stokes-Gleichungen auf strukturierten Gittern löst, wurde auf eine Schaufelteilung des Vorleitgitters und des Laufrades sowie auf ein Modell, bestehend aus vollständigem Laufrad und Spiralgehäuse, angewendet. Das verwendete Berechnungsgitter des dreidimensionalen Modells ist für eine Hälfte des Spiralgehäuses und des Laufrads in 3 gezeigt. Für die stationären Strömungsberechnungen wurde das Standard-«K-ε» Turbulenzmodell in Verbindung mit Wandfunktionen zur Schließung der «Reynolds-gemittelten» Navier-Stokes- Gleichungen verwendet. Für die genannten CFD-Modelle wurde in beiden Fällen die Strömung im Radseitenraum berücksichtigt, so dass die Zirkulation entlang der Laufraddeckscheibe infolge der Spaltströmung zwischen dem stationären Radeinlauf und der rotierenden Deckscheibe erfasst werden konnte. Generell erfolgt an den Schnittstellen der stationären und rotierenden Berechnungsgitter 1 Die Aktivitäten von ABB Corporate Reseach auf diesem Gebiet hat inzwischen Alstom Power Technology Ldt. übernommen. Durch den Zwang der Wettbewerbskräfte auf den globalen Märkten werden zunehmend neue Technologien in der Produktentwicklung angewendet, von Flugtriebwerken über stationäre Gasturbinen bis hin zu Industriekompressoren und Industrieventilatoren. In diesem Sinne sieht sich ABB als ein weltweit führender Anbieter von Industrieventilatoren verpflichtet, mit den neusten Technologien Schritt zu halten. Jüngste F&E-Arbeiten haben zu neuen wichtigen Erkenntnissen geführt, die ABB, wie beispielsweise in diesem Artikel gezeigt, zur Verbesserung der Aerodynamik von Hochleistungsventilatoren nutzt. Als Beitrag zum Fortschritt «umweltschonender Produkte» können durch den Einsatz dieser Technologie Ventilatoren mit geringerem Leistungsbedarf entwickelt werden. Dies umfasst in der Anwendung Axialventilatoren von ABB Fläkt mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 2,5 MW und Radialventilatoren von ABB Solyvent-Ventec mit bis zu 10 MW und 5 m Laufraddurchmessern. ABB Technik 2/2000 79

Technology Review 3 Rechengitter für Spiralgehäuse und Laufrad. Solche CFD-Modelle werden verwendet, um die Strömungsvorgänge in den Gebläsekomponenten zu erfassen. eine Koppelung auf der Basis einer konservativen Die Berechnungen wurden für vier verschiedene Betriebspunkte bei konstanter Drehzahl in Umfangsmittelung der numerischen Flüsse. Jedoch an der Schnittstelle zwischen Laufrad und einem Bereich von 80 bis 140% der Auslegungsfördermenge durchgeführt. Für die Betriebs- Spiralgehäuse des dreidimensionalen Modells, bei der im Falle einer Abweichung vom Auslegungspunkt des Ventilators bei einer vollständigen Ummenge wurde ein ungestaffeltes Vorleitgitter punkte mit 100% und 140% Auslegungsförderdrehung für jeden einzelnen Schaufelkanal erhebliche Variationen des Strömungszustandes auftre- bzw. 45, bezogen auf die Meridionalebene, im berücksichtigt, während Staffelungswinkel von 60 ten können, wurde ein sogenannter «Frozen Falle von 80% bzw. 90% Auslegungsfördermenge Rotor»-Ansatz angewendet. Diese quasi-stationäre angenommen wurden. Approximation erfasst in guter Näherung die Ungleichförmigkeiten des Druckfeldes im Spiralgehäuse und erlaubt eine deutliche Reduzierung Mit dem Ziel einer Veranschaulichung der Detaillierte Strömungsanalyse der Rechenzeiten gegenüber transienten Strömungsberechnungen. Als Eintrittsrandbedingung ventilatoren sowie der zu erwartenden Genauig- Komplexität der Strömungsvorgänge in Radial- wurden Massenstrom und Turbulenzgrößen keiten bei der Vorhersage von Leistungsdaten vorgeschrieben. mittels CFD zur Optimierung von Maschinenkomponenten, werden nachfolgend einige Einzelheiten der CFD-Studie vorgestellt. So ist beispielsweise der Inzidenzwinkel der Laufradanströmung bekanntlich ein wichtiger Parameter zur aerodynamischen Optimierung der Schaufelgeometrie. Bei einem positiven Inzidenzwinkel ergibt sich eine Verschiebung des Staupunktes auf der Schaufelvorderkante zur Profildruckseite mit einer höheren aerodynamischen Belastung der Schaufel im Vergleich zur inzidenzfreien Anströmung. Die damit verbundene verstärkte Verzögerung der Grenzschichtströmung auf der Profilsaugseite führt zu einem größeren Risiko einer Grenzschichtablösung und einer demzufolge starken Zunahme der Laufradverluste. Andererseits können bei kleinen Machzahlen und insbesondere profilierten Schaufeln große Fehlanströmungen toleriert werden. In diesem Sinne trägt eine gleichförmige Verteilung des Inzidenzwinkels entlang der Profilvorderkante zu einer deutlichen Steigerung des Wirkungsgrades bzw. der Druckerhöhung des Laufrades bei [1]. Bei dem betrachteten radialen Laufrad mit einer starken meridionalen Strömungsumlenkung vor dem Radeintritt und einer Spaltströmung, die zu einer Beaufschlagung der Schaufelvorderkante in der Nähe der Laufraddeckscheibe führt, ist im Hinblick auf eine Optimierung aus diesem Grunde eine Analyse der Strömung im Bereich der Schaufelvorderkante unerlässlich. Strömungsverhältnisse bei Auslegungsbedingungen Das Strömungsfeld in der Nähe der Laufraddeckscheibe und des Laufradaustritts bei Auslegungsbedingungen wird durch die Geschwindigkeitsverteilung in 4 dargestellt. Deutlich zu erkennen ist die typische Formation des sogenannten «jet/wake flow pattern» im Bereich des Laufrad- 80 ABB Technik 2/2000

4 Geschwindigkeitsverteilung bei Auslegungsfördermenge und vollständiger Öffnung des Vorleitgitters. Dieses Bild zeigt das Strömungsbild in der Nähe der Laufraddeckscheibe und des Laufradaustritts. 5 Vektorielles Strömungsfeld bei Auslegungsfördermenge und vollständiger Öffnung des Vorleitgitters (nahe Laufraddeckscheibe). Die CFD-Analyse zeigt, dass selbst bei Auslegungsbedingungen die Grenzschichtströmung entlang der Profildruckseite ablösegefährdet ist. austritts, entsprechend einer Ansammlung von stark verlustbehaftetem Fluid im Bereich der Deckscheibe/Profilsaugseite und von verlustarmem Fluid hoher Geschwindigkeit im Bereich der Radmittelebene/Profildruckseite. Die zunehmende Wirbelintensität in Hauptströmungsrichtung resultiert einerseits aus einer Sekundärströmung mit verlustreichem Fluid entlang der Profiloberfläche zur Laufraddeckscheibe, hervorgerufen durch die Zentrifugalkräfte der axialen/ radialen Strömungsumlenkung, andererseits aus der Sekundärströmung entlang der Deckscheibe und Radmittelebene von der Profildruckseite zur Saugseite infolge der im radialen Teil der Schaufelkanäle vorherrschenden Coriolis-Kräfte. Allerdings ist aus 5, in dem das entsprechende vektorielle Strömungsfeld dargestellt ist, zu erkennen, dass an diesem Strömungsprozess keine Rückströmung im Sinne einer Grenzschichtablösung beteiligt ist. Zugleich zeigt die CFD-Analyse jedoch, dass sich die Grenzschichtströmung entlang der Profildruckseite nahe der Deckscheibe selbst bei Auslegungsbedingungen kurz vor einer Ablösung der Strömung befindet. Verantwortlich ist dafür eine Anströmung mit leicht negativem Inzidenzwinkel in diesem Bereich der Schaufelvorderkante, die zu einer zusätzlich verstärkten Diffusion der Grenzschichtströmung entlang der Profildruckseite führt. Dieser Mechanismus wurde in [1] und [2] ausführlich behandelt. 6 Geschwindigkeitsverteilung bei Teillast mit Mitdrall der Laufradanströmung infolge einer 60 -Schließung des Vorleitgitters Strömungsverhältnisse bei Teillast Bei Teillastbetrieb mit 80% Auslegungsfördermenge bewirkt das Schließen des Vorleitgitters, entsprechend einem Staffelungswinkel von 60, ABB Technik 2/2000 81

Technology Review 7 Vektorielles Strömungsfeld bei Teillast mit einer 60 -Schließung des Vorleitgitters. Durch eine Ablösung der Grenzschichtströmung entlang der Laufraddeckscheibe tritt eine partielle Rückströmung im Laufrad ein. einen Mitdrall der Laufradanströmung mit einer Reduzierung der aerodynamischen Belastung. Infolgedessen sind die Sekundärströmung und die Wirbelintensität in Hauptströmungsrichtung generell weniger stark ausgeprägt als im Fall drallfreier Anströmung bei gleicher Maschinendrehzahl 6. Dennoch ist gegenüber dem Auslegungsbetriebspunkt der Bereich geringer Strömungsgeschwindigkeit bei halber Schaufelsehnenlänge nahe der Profildruckseite deutlich größer 7. Das entsprechende Vektorfeld zeigt in dieser Zone nahe der Laufraddeckscheibe eine radial einwärts gerichtete Rückströmung. Eine genauere Analyse ergab, dass sich diese Rückströmung infolge einer verstärkten Fehlanströmung (negativer Inzidenzwinkel) auf den Bereich nahe der Deckscheibe des Laufrades beschränkt. Verbunden mit dieser partiellen Rückströmung ist die Ausbildung eines sogenannten «corner-stall»-wirbels auf der Profildruckseite. Außerdem zeigte sich, dass die Spaltströmung vom Radseitenraum zur Verursachung der Fehlanströmung beiträgt. Diese Spaltströmung führt zudem zu einer Zirkulation entlang der Laufraddeckscheibe, verbunden mit volumetrischen Laufradverlusten. Ebenso wurde bei diesem Teillastbetriebspunkt die Anströmung der Profilvorderkante in der Nähe der Radmittelebene untersucht. Im Gegensatz zur Fehlanströmung mit negativem Inzidenzwinkel zeigt sich in diesem Profilschnitt ein stark positiver Inzidenzwinkel mit der Ausbildung eines Vorderkantenwirbels, welcher die Profilvorderkante umschließt. Die Ursache ist eine Ablösung und ein «Aufrollen» der Grenzschicht der Zuströmung, hervorgerufen durch den positiven Druckgradienten infolge der Verdrängung der Schaufel. Der Verlauf der Staustromlinie und die Position des sogenannten Sattelpunktes, der die Ablöselinie des saug- und druckseitigen Zweigs des Vorderkantenwirbels trennt, sind in 8 dargestellt. Zusätzlich ist erkennbar, dass sich die neu entstehende Grenzschicht stromabwärts von der Ablöselinie infolge der Umströmung der Profilvorderkante und einer nachfolgenden Verzögerung in der Kante der Profilsaugseite und Radmittelebene ablöst. Wechselwirkung zwischen Laufrad- und Gehäuseströmung Zur Vorhersage des Gesamtwirkungsgrads des Gebläses und zur Feststellung, in welcher Komponente die höchsten Verluste auftreten, muss die Strömung im Spiralgehäuse ebenso untersucht werden. Entsprechend dem Strömungswinkel der aus dem Laufrad austretenden Drallströmung, für den die Spirale ausgelegt ist, gibt es für jede Linie kons- 8 Vektorielles Strömungsfeld bei Teillast mit einer 60 -Schließung des Vorleitgitters (nahe der Radmittelebene). Infolge einer Fehlanströmung der Profilvorderkante bildet sich ein Vorderkantenwirbel aus. 82 ABB Technik 2/2000

9 Vektorielles Strömungsfeld des Laufrades und Spiralgehäuses in einem achsnormalen Schnitt bei Auslegungsfördermenge. Der Staupunkt der Stromlinie, die den in das Gehäuse eintretenden Massenstrom von demjenigen, der durch den Druckstutzen austritt, trennt, liegt auf der Zungenvorderkante. 10 Vektorielles Strömungsfeld des Laufrades und Spiralgehäuses in einem achsnormalen Schnitt bei 140% Auslegungsfördermenge. Infolge einer Expansion der Rückströmung um die Zunge des Spiralgehäuses kommt es zu einer massiven Strömungsablösung im Diffusor. tanter Laufraddrehzahl nur einen Arbeitspunkt (normalerweise der Auslegungspunkt), für den die Spirale am Laufradumfang eine näherungsweise konstante Druckverteilung erzeugt. Während einer Abweichung von dieser Fördermenge tritt im Spiralgehäuse ein unsymmetrisches Druckfeld auf, das eine ungleichmäßige Verteilung des Durchflusses und der aerodynamischen Belastung der einzelnen Schaufelkanäle zur Folge hat. Durch die «Frozen Rotor»-Approximation mit der Annahme einer fixierten Position des Laufrades gegenüber der Spirale im Laufe der Strömungsberechnung ist es möglich, die quasi-stationäre Wechselwirkung zwischen Laufrad- und Gehäuseströmung zu erfassen. Gleichzeitig ist es gelungen, die Rechenzeiten gegenüber transienten Berechnungen auf eine für den Designprozess sinnvolle Größenordnung zu reduzieren. Bei einem Betrieb mit Auslegungsfördermenge liegt der Staupunkt der Stromlinie, welche den in das Spiralgehäuse eintretenden Massenstrom von demjenigen, der durch den Diffusor bzw. Druckstutzen austritt, trennt, entsprechend einer inzidenzfreien Anströmung auf der Zungenvorderkante des Spiralgehäuses. Bei größerer Fördermenge ist das Gehäuse zu klein, um die Strömung aufzunehmen, so dass eine Beschleunigung in Umfangsrichtung eintritt. Der statische Druck im Eintrittsquerschnitt des Gehäuses ist somit höher als am Eintritt zum Diffusor. Der Staupunkt dieser Stromlinie wird in das Spiralgehäuse verschoben, und der statische Druckgradient bewirkt eine Rückströmung in den Diffusor. Umgekehrt wird bei kleinerer Fördermenge im Vergleich zum Auslegungspunkt die Strömung bis zum Diffusoreintritt verzögert, begleitet von einer Rückströmung in das Spiralgehäuse und einer Verschiebung des Staupunktes in Richtung des Austrittsstutzens. Details des Strömungsfeldes in der Nähe der Zunge des Spiralgehäuses sind für den Fall der Auslegungsfördermenge in 9 dargestellt. Wie erwartet liegt der Staupunkt bei einer näherungsweisen konstanten statischen Druckverteilung am Laufradumfang auf der Zungenvorderkante. Lediglich infolge der Verdrängungswirkung der Zunge ergibt sich eine lokale Störung mit höherem Gegendruck für die sich der Zunge nähernden Schaufelkanäle. Dies führt abweichend vom Mittelwert aller Kanäle zu einem lokal verringerten Durchfluss, verbunden mit einer positiven Inzidenz der Anströmung und entsprechend höherer aerodynamischer Belastung. Im Fall von 140% Auslegungsfördermenge erfolgt eine Rückströmung in den Austrittsdiffusor mit einer Verschiebung des Staupunktes in das Spiralgehäuse. Durch die starke Expansion um die Gehäusezunge mit einer nachfolgenden Verzögerung ergibt sich eine massive Strömungsablösung im Diffusor 10. Vergleich von Messung und Berechnungsergebnissen ABB Solyvent-Ventec führte an einer maßstabgetreuen Versuchsanordnung Leistungsmessungen durch und benutzte die Messdaten dazu, die CFD-Vorhersagen mit den globalen Messungen der Gesamtdruckerhöhung und des Gesamtwirkungsgrads zu vergleichen. Wie 11 und 12 zeigen, besteht eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen und den vorhergesagten Leistungsdaten. Die Unsicherheiten beim ABB Technik 2/2000 83

Technology Review 100 N=950 rpm 2000 N=950 rpm 80 1500 F[%] η 60 40 p F [Pa] 1000 20 0 5 Experiment CFD; IGV 0 deg CFD; IGV+45 deg CFD; IGV+60 deg 10 15 20 25 Q[m 3 /s] 0 Experiment CFD; IGV 0 deg CFD; IGV+45 deg CFD; IGV+60 deg 2000 0 5 10 15 20 25 Q[m 3 /s] 11 Darstellung der gemessenen Wirkungsgradkennlinien des Gebläses im Vergleich zu den Berechnungsergebnissen bei Voll- und Teillastbetrieb η F Gebläsewirkungsgrad Q Fördermenge 12 Darstellung der gemessenen Kennlinien der Gesamtdruckerhöhung im Vergleich zu den Berechnungsergebnissen bei Voll- und Teillastbetrieb p F Gebläsedruck Q Fördermenge Gesamtwirkungsgrad (unter Vernachlässigung der mechanischen Lagerverluste), die für den Bereich von 80 bis 140% der Auslegungsfördermenge vorhergesagt wurden, betrugen weniger als 1,5%. Die Ergebnisse zeigen, dass CFD geeignet ist, komplexe Strömungsstrukturen vorherzusagen, und vermittelt dem Konstrukteur damit genauere Kenntnisse über das Betriebsverhalten radialer Gebläse in einem weiten Betriebsbereich. Vorteile für die Bewertung von Entwurfsvarianten Wie die Ergebnisse der beschriebenen Untersuchung zeigen, ermöglichen die CFD-Vorhersagen zum Strömungsfeld, die Strömungsphänomene innerhalb des Gehäuses eingehend zu untersuchen, und vermeiden somit bis zu einem gewissen Grad kostspielige und zeitraubende experimentelle Arbeiten. Mit Sicherheit kann festgestellt werden, dass solche Strömungsvorgänge nicht mit empirischen 1D- oder 2D-Strömungsgleichungen erfasst werden können, obwohl der Einsatz solcher Verfahren für die Voroptimierung in den ersten Entwurfsphasen unabdingbar ist. Das CFD-Programm bildet somit zusammen mit solchen empirischen Methoden einen Teil eines integrierten Systems zur Beurteilung von Designvarianten. Die Untersuchung fundiert die von ABB gesammelten Erfahrungen in der Anwendung von CFD-Programmen für den Entwurf von Hochleistungsgebläsen und bestätigt, dass die Genauigkeit der numerischen Strömungsberechnungen selbst bei vollständiger Modellierung der Gebläse ausreicht, um beispielsweise routinemäßig CFD-Simulationen zur Abstimmung von Maschinenkomponenten in einem breiten Anwendungsbereich einzusetzen. Adressen der Autoren Dr. Wilfried Rick Dr. Eribert Benz ABB Corporate Research Center AG Postfach 5102 CH-5405 Baden-Dättwil Schweiz Telefax: +41 56 486 7359 wilfried.rick@ch.abb.com eribert.benz@ch.abb.com Alain Godichon ABB Solyvent-Ventec SNC Postfach 67 F-69882 Meyzieu-Cedex Frankreich Telefax: +33 3 854 17322 alain.godichon@fr.abb.com Literaturhinweise [1] I. Bennett, M. Vezza: Flows within industrial centrifugal fans. VDI reports no. 1249, 1996. [2] W. Rick: CFD analysis of the radial fans DXW, DZW. Internal ABB report, ABB CHCRC, Sept 1998. 84 ABB Technik 2/2000