DE19631093A1 - Verfahren zur aeroakustischen Optimierung eines Axiallüfters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aeroakustischen Optimierung eines Axiallüfters, bei dem auf der Basis einer numerischen Computersimulation in ei­ ner ersten Stufe eine aerodynamische Optimierung der Blattgeometrie des Axiallüfters durch Anwendung eines inversen numerischen Entwurfsverfahrens in Verbindung mit einem ersten Optimierungsalgorithmus erfolgt.

Ein entsprechendes Verfahren für einen Axiallüfter, insbesondere für ein Kühl­ gebläse eines Kraftfahrzeugmotors ist aus der DE 43 26 147 A1 bekannt. Axial­ lüfter sind insbesondere diejenigen Lüfter, die zur Kühlung von Motoren von Kraftfahrzeugen eingesetzt und mechanisch oder elektrisch angetrieben wer­ den. Im Fall eines elektrischen Antriebs schaltet ein Thermostat den Antrieb ein, wenn der Fahrtwind zur Kühlung nicht mehr ausreicht. Im Betrieb erzeugt der Axiallüfter neben der gewünschten Kühlung auch Lärm. Bei langsamer Fahrt oder im Stand kann der erzeugte Lärm das Umgebungsgeräusch übersteigen und somit zu einer erheblichen Lärmquelle werden. Es ist deshalb wünschens­ wert, den Lärm zu senken, ohne dadurch die Leistung des Lüfters zu verringern. Eine derartige aeroakustische Optimierung unterliegt jedoch einer Reihe von Randbedingungen, wie z. B. einer geringen Einbautiefe, niedrigen Herstel­ lungskosten, einer möglichst recyclefähigen Bauweise und einem bestimmten erzeugten Lärmspektrum. Eine besondere Bedeutung kommt der Einbautiefe in Axialrichtung zu, da entsprechende Lüfter im Fahrzeug zwischen Kraftfahr­ zeugmotor und Kühler mit Kondensator eingebaut werden müssen. In der Kraft­ fahrzeugindustrie ist daher eine Einbautiefe von maximal 15% des Radius ge­ fordert. Hinsichtlich des Lärmspektrums sind gegenüber unerwünschten Pfeiftö­ nen möglichst breitbandige Rauschtöne mit niedrigen Pegeln erwünscht.

Der aus der DE 43 26 147 A1 bekannte Axiallüfter gewährleistet aufgrund des darin beschriebenen Entwurfsverfahrens einen Axiallüfter mit dreidimensional ausgebildeten Lüfterblättern, die jeweils eine starke Vorwärtspfeilung und eine starke Rückwärtspfeilung nach Art einer Vogelschwinge aufweisen, wodurch die Aerodynamik und automatisch die Akustik gleichzeitig weitgehend optimiert werden. D.h., es ist eine Blattgeometrie für einen Axiallüfter bekannt, bei dem Aufrollwirbel und induzierte Ablösungen derart beeinflußt werden, daß der Schub und der Wirkungsgrad kaum beeinflußt werden.

Weitere und experimentelle Untersuchen haben jedoch gezeigt, daß auch derart ermittelte Blattgeometrien Zonen turbulenter, abgelöster oder mit Aufrollwirbeln behafteter Strömung aufweisen. Derartige Strömungsphänomene sind stochas­ tischer Natur und können nicht allein mit dem aus der DE 43 26 147 A1 be­ kannten Entwurfsverfahren errechnet und somit gänzlich vermieden werden.

Aus dem Aufsatz "Aeroakustische Optimierung einer Lüftergeometrie", von Dr.- Ing. Dieter Lohmann, DLR-Nachrichten, Heft 78 (Mai 1995) Seite 15 bis 22, geht eine Weiterentwicklung des auch als LBS-Code bekannten o.g. Entwurfsver­ fahrens hervor. Danach ist zur vollständigen Nachrechnung der Lüfterakustik noch ein zusätzlicher halbempirischer Ansatz auf der Basis von Turbulenzmo­ dellen erforderlich, die beispielsweise hinsichtlich der Akustik eine optimale Blattgeometrie ergeben. Obgleich die damit erzielten Ergebnisse eine theo­ retische Lärmreduktion von einigen dB (A) aufweisen, war eine, wenn auch ge­ ringe Schub- und Wirkungsgradverminderung festzustellen, die aufgrund von nun wieder vermehrt auftretenden Ablösungserscheinungen im mittleren Bereich der Saugseite und im Vorderkantenbereich der Blattgeometrie auftraten. Unab­ hängig vom Rechenergebnis wurde, um die größte Ablösung zu vermeiden, auf­ grund physikalischer Überzeugungen mit Erfolg im Nabenbereich die Vorwärts­ pfeilung etwas zurückgenommen, wodurch die Verluste wieder geringer wurden, wie Meßergebnisse im Windkanal gezeigt haben.

Unabhängig von diesem Stand der Technik werden Lüfter mit Hilfe von 2-D Git­ termethoden oder Singularitätsverfahren aerodynamisch entworfen und im Windkanal getestet. Bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten, die am Lüfter auftreten, wird meistens auf eine Profilgebung der Blattgeometrien verzichtet. Vielmehr werden trotz eines größeren Strömungswiderstandes einfache Kreis­ bogenblechprofile verwendet, um ein Abreißen der Strömung zu verhindern. Auch durch Probieren hatte man bereits vor dem zuvor genannten Stand der Technik herausgefunden, daß Lüfter mit sichelförmig gepfeilten Blättern leiser sein können als die vorgenannten. Entsprechende sichelförmig gepfeilte Lüfter­ blätter sind beispielsweise aus der US 5,064,345, der DE 31 37 114 C2 und der WO 90/15253 bekannt. Die Art der Pfeilung ist in diesem Stand der Technik in der Regel in Probierversuchen ermittelt worden. Eine physikalische Erklärung oder gar eine mathematische Gesetzmäßigkeit, die beschreibt, warum diese Lüfter leiser sind, ist aus den letztgenannten Schriften nicht bekannt. Zusätzlich wurde herausgefunden, daß durch eine asymmetrische Aufteilung der Blätter die spektrale Verteilung verändert und damit der dB (A)-bewertete Lärmpegel vermindert werden kann. Die Höhe der entsprechenden Lärmreduktion konnte jedoch nicht ermittelt werden.

Mit den genannten bekannten Entwurfsverfahren konnten die dreidimensionalen Effekte (3-D Effekte), die für einen optimalen Entwurf von großer Bedeutung sind, nicht vollständig erfaßt werden. Darüber hinaus konnte die Art der sichel­ förmigen Pfeilung unter Berücksichtigung der aerodynamischen Beiwerte, der Profilform, der Blattiefe und Verbindung nicht vollständig rechnerisch bestimmt werden. Insbesondere kann mit den im Stand der Technik bekannten Verfahren generell der Schallpegel von Lüftern in Abhängigkeit von der Blattgeometrie nicht vollständig berechnet werden, weshalb die bekannten Entwurfsmethoden die nachfolgende Aufgabe nicht befriedigend lösen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur aeroakustischen Optimierung eines Axiallüfters zu schaffen, mit dem es möglich ist, den Lärm von Axiallüftern durch eine aeroakustische optimale Formgebung allein auf der Basis einer numerischen Computersimulation erheblich zu senken, ohne das sich dabei die Leistung des Axiallüfters verschlechtert, also eine weitgehend verlust- und störungsfreie Strömung aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer zweiten Stu­ fe in Kombination mit einem zweiten Optimierungsalgorithmus

• - zunächst eine erste akustische Optimierung der Blattgeometrie zur Minde­ rung des stochastischen Lärmanteils mit Hilfe eines weiteren numerischen Verfahrens auf der Basis von Turbulenzmodellen, und
• - anschließend eine zweite akustische Optimierung der Blattgeometrie und Blatteilung zur Minimierung des periodischen Lärmanteils mit Hilfe eines Sin­ gularitätenverfahrens berechnet wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß auf der Grundlage der eingangs ge­ nannten DE 43 26 147 A1 und des Aufsatzes ein Entwurfsverfahren angegeben werden kann, das es ermöglicht, innerhalb des bekannten Verfahrens den theo­ retischen Entwurf nachzubessern, indem physikalische Erkenntnisse in den theoretischen Entwurf, wenn auch nur im geringen Maße, korrigierend einflie­ ßen. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, daß mit Blattgeometrie immer die Geometrie eines Rotorblattes eines Lüfters beschrieben ist und mit dem Begriff Lüfter immer der eingangs genannte Axiallüfter beschrieben wird. Es ist jedoch selbstverständlich, daß das vorgeschlagene Verfahren in ähnlicher Form auf an­ dere Lüfter übertragen werden kann. Insbesondere wird ferner darauf hingewie­ sen, daß die eingangs genannte DE 43 26 147 A1 vollständig beschreibender Bestandteil dieser Anmeldung sein soll.

Anmeldungsgemäß ist vorteilhaft vorgesehen, daß in der ersten Stufe als inver­ ses numerisches Entwurfsverfahren das Verfahren nach Larrabee zur Anwen­ dung kommt und als Berechnungsvorgaben ein Laminarprofil gewählt wird und damit die Blatt-Tiefe und die Verwindung β für eine elliptische Lastverteilung im Entwurfspunkt E mit einem Entwurfscode DESI1 berechnet wird und der erste Optimierungsalgorithmus so ein Optimum nach Goldstein für die Lastverteilung ermittelt. Da bekannte Feldverfahren, insbesondere im Hinblick auf Opti­ mierungsrechnungen sehr rechenintensiv sind, empfiehlt sich für die Unter­ suchung der Aeroakustik der Lüfter und deren Auslegung ein Singularitätenver­ fahren oder ein Verfahren wie nach Larrabee, welches dann, wie Versuche ge­ zeigt haben, mit einem Optimierungsalgorithmus zu einer angenähert aerody­ namisch optimalen Blattgeometrie führt. Aus den lokalen Auftriebsbeiwerten folgen damit als Ursache des erzeugten Luftstroms die integralen aerodynami­ schen Beiwerte der Druckdifferenz vor und hinter dem Gebläse und der Lei­ stung. Der Wirkungsgrad ist dann dem Schub direkt und der Leistung umge­ kehrt proportional. Wie Vergleiche zwischen Theorie und Experiment gezeigt haben, läßt sich die Aerodynamik im Entwurfspunkt E nahe dem Wirkungsgrad­ maximum mit ausreichender Genauigkeit theoretisch vorhersagen.

Vorteilhaft ist ferner vorgesehen, daß zur Berechnung und Optimierung in der zweiten Phase die aus der Optimierung der ersten Phase hervorgegangenen Geometrie bzw. aerodynamischen Beiwerte als Vorgabe verwendet werden und für die erste akustische Optimierung eine optimale Pfeilung der Blattgeometrie zur Dekorrelation schallerzeugender Wirbelstrukturen an der Blatthinterkante und die Blattiefe im Entwurfspunkt E mit Entwurfscode DESI2 berechnet wird. Saugspitzen, die zu unangenehmem Pfeifen führen, können zusätzlich zu einem frühen Umschlagen von laminarer zu turbulenter Strömung führen, wodurch weitere Schallquellen entstehen. Die Saugspitze kann mit dem LBS- Code berechnet werden. Damit kann die Größe des Schallquellenfeldes infolge Turbulenz abgeschätzt werden.

Vorteilhaft ist vorgesehen, daß der LBS-Code anschließend den Druckzeitver­ lauf des Lüfterdrehklangs berechnet. Die somit ermittelten theoretischen Werte stimmen gut mit experimentell ermittelten überein. Das Entwurfsverfahren liefert somit hinsichtlich periodischer Signale von Lüftern eine gute Konstruktions­ grundlage.

Wie Experimente gezeigt haben, sind jedoch weiterhin Zonen turbulenter, abge­ löster oder mit Aufrollwirbeln behafteter Strömungen vorhanden, welche stoch­ astischer Natur sind und nicht unmittelbar berechnet werden können. Zur voll­ ständigen Nachrechnung bzw. Korrektur der Lüfterakustik ist daher noch ein zu­ sätzlicher halbempirischer Ansatz auf der Basis von Turbulenzmodellen erfor­ derlich, wie dies mit dem Entwurfscode DESI2 möglich ist. Mit diesem Code kann die Aeroakustik eines Lüfters befriedigend nachgerechnet bzw. korrigiert werden. Erfindungsgemäß koppelt man das Nachrechnungsverfahren mit einem Optimierungscode, so kann diese Arbeit mit dem zweiten Optimierungsal­ gorithmus durchgeführt werden. Es wird somit beispielsweise im Fall nach einer Geometrieänderung in kleinen Schritten zuerst die Aerodynamik und dann die Akustik nachgerechnet, wobei ein Minimum an Lärm unter Beibehaltung der aerodynamischen Leistung als Kriterium gewählt wird. Die Geometrie kann bei­ spielsweise in der Blattiefe und Verschiebung einzelner Schnitte geändert wer­ den, so daß sich aus einem rechteckigen ein sichelförmiger Blattgrundriß ergibt. Allerdings sind auch andere Optimierungen denkbar, wie z. B. die Verwindung der Blätter, die Blattzahl gemeinsam mit dem Durchmesser oder einer asymmetrischen Aufteilung der Blätter etc.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß in der zweiten Stufe die zweite akustische Optimierung der Blatteilung infolge der Änderung der spektralen Verteilung eine asymmetrische Teilung der Blätter zur Schallmini­ mierung berechnet wird. Durch diese in den zweiten Optimierungsalgorithmus integrierte Variationsmöglichkeit der Blatteilung ist eine weitere Lärmreduzierung mittels eines Verfahrens möglich.

Vorteilhaft ist vorgesehen, daß in der zweiten Stufe zur zweiten akustischen Op­ timierung der Blatteilung eine Berechnung unter Berücksichtigung von drei un­ mittelbar vor dem Einlauf des Lüfters mit Winkeln von ψ = 60°, 70° und 75° zum Lüfterzentrum angeordneten Mikrophonen ebenfalls mit LBS-Code AKU im Ent­ wurfspunkt E erfolgt.

Weitere besondere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 ein zu optimierender rechteckiger Blattgrundriß,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Blatt gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Wirkungsgrad η-Volumenstrom -Diagramm,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß sichelförmiges Blatt,

Fig. 5 eine schematische Ansicht in axialer Richtung eines Axiallüfters, und

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht eines Axiallüfters.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Blattgrundriß 10, welcher in der dargestellten axi­ alen Ansicht eine rechteckige Projektionsfläche aufweist und einerseits an einer Nabe 11 und andererseits an einem Mantelelement 12 befestigt ist. Der Pfeil A deutet die Drehrichtung an. Die Linie 13 zeigt eine Schnittlinie des Laminarpro­ fils des Blattes 10.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt der Fig. 1 entsprechend der Schnittlinie 13. Die Blattiefe 14 ist am Laminarprofil ebenso zu erkennen, wie der Verwindungswinkel β.

Fig. 3 zeigt ein η--Diagramm, in dem der Entwurfspunkt E nahe dem Wir­ kungsgradmaximum eingetragen ist.

Fig. 4 zeigt ähnlich wie Fig. 1 einen Blattgrundriß 10, welcher mit einem Mantel­ element 12 und einer Nabe 11 verbunden ist und eine sichelförmige Ausgestal­ tung aufweist. Das sichelförmige Blatt 10 weist an seiner Vorderkante 15 und an seiner Hinterkante 16 jeweils eine starke Vorwärtspfeilung 17 und eine starke Rückwärtspfeilung 18 auf.

Fig. 5 zeigt in axialer Richtung eine schematische Darstellung eines Axiallüf­ ters 19 mit sieben Blättern 10. Gut zu erkennen ist die unterschiedliche Blattei­ lung t.

Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht eines schematisch dargestellten Axiallüfters 19 mit Blättern 10 und einem Mantelelement 12, dem auf einer seiner Seiten Mi­ krophone M1, M2 und M3 unter den Winkel ψ = 60°, 70° und 75°, bezogen auf die Lüfterachse 20, zugeordnet sind.

Um den Lärm von Lüftern 19 durch die erfindungsgemäße aeroakustisch opti­ male Formgebung merklich zu senken, ohne daß dabei die Leistung des Lüf­ ters 19 verschlechtert wird, kann nun in vorteilhafter Weise wie folgt vorgegan­ gen werden.

Das Blatt 10, welches ein Laminarprofil hat, ist gemäß Fig. 1/2 vorgegeben. Die Blatt-Tiefengrund-Verwindung β wird mit einem Entwurfscode DESI1 unter Be­ rücksichtigung der Profilpolaren berechnet, wobei ein Optimum nach Goldstein für eine elliptische Lastverteilung im Entwurfspunkt E (vgl. Fig. 3) berechnet wird.

Die aus der vorgenannten Berechnung sich ergebenden Geometriedaten und aerodynamischen Beiwerte sind nun Grundlage für die Berechnung der optima­ len Pfeilungen 17, 18 des Blattprofils 10 zur Dekorrelation schallerzeugender Wirbelstrukturen an der Blatthinterkante 16. Aus dieser Berechnung folgt eben­ falls die Blattiefe 14, berechnet im Entwurfspunkt E mit Entwurfscode DESI2 und einer Mikrophonposition etwa 1 m vom Einlauf auf der Rotorachse mit ei­ nem Winkel ψ = 0° (vgl. Fig. 6). Die asymmetrische Teilung t der Rotorblätter 10 zur Schallminderung infolge veränderter Spektralverteilung erfolgt aus einer Berechnung im Entwurfspunkt E mit LBS-Code AKU unter Anwendung auf drei Mikrophonpositionen M1, M2 und M3 unmittelbar vor dem Einlauf des Lüfters 19 unter den Winkel ψ, = 60°, 70° und 75°, bezogen auf die Lüfterachse 20 (vgl. Fig. 6).

Claims (7)

1. Verfahren zur aeroakustischen Optimierung eines Axiallüfters, bei dem auf der Basis einer numerischen Computersimulation in einer ersten Phase eine aerodynamische Optimierung der Blattgeometrie des Axiallüfters durch An­ wendung eines inversen numerischen Entwurfsverfahrens in Verbindung mit einem ersten Optimierungsalgorithmus erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
daß in einer zweiten Phase in Kombination mit einem zweiten Optimierungs­ algorithmus

• - zunächst eine erste akustische Optimierung der Blattgeometrie zur Minde­ rung des stochastischen Lärms mit Hilfe eines weiteren numerischen Verfah­ rens auf der Basis von Turbulenzmodellen, und
• - anschließend eine zweite akustische Optimierung der Blattgeometrie und Blatteilung zur Minimierung des periodischen Lärmanteils mit Hilfe eines Sin­ gularitätenverfahrens berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe als inverses numerisches Entwurfsverfahren das Ver­ fahren nach Larrabee in modifizierter Form für ummantelte Propeller zur An­ wendung kommt und als Berechnungsvorgaben die Polare eines Laminar­ profils (10) und damit die Blattiefe (14) und eine Verwindung β für eine ellipti­ sche Lastverteilung im Entwurfspunkt E mit einem Entwurfscode DESI1 be­ rechnet wird, so daß der erste Optimierungsalgorithmus ein Optimum nach Goldstein für die Lastverteilung ermittelt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung und Optimierung in der zweiten Phase die aus der Opti­ mierung der ersten Phase hervorgegangenen aerodynamischen Beiwerte als Vorgabe verwendet werden und für die erste akustische Optimierung eine optimale Pfeilung (17, 18) der Blattgeometrie zur Dekorrelation schallerzeu­ gender Wirbelstrukturen an der Blatthinterkante (16) und im Zusammenhang damit erneut die Blattiefe (14) im Entwurfspunkt E mit Entwurfscode DESI2 berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Entwurfscode DESI2 den Schallpegel in einem Abstand von ca. 1 m vom Einlauf der Lüfterachse (20) entfernt in einem Winkel ψ = 0° berechnet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Phase eine zweite akustische Optimierung der Blattgeo­ metrie und Blatteilung t mit Hilfe eines Singularitätenverfahrens wie z. B. des LBS-Codes erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Phase die zweite akustische Optimierung der Blatteilung infolge der Änderung der spektralen Verteilung eine asymmetrischen Tei­ lung t der Blätter (10) zur Schallminderung berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stufe zur zweiten akustischen Optimierung der Blatteilung eine Berechnung unter Berücksichtigung von drei unmittelbar vor dem Einlauf des Lüfters (19) mit Winkeln von ψ = 60°, 70° und 75° zum Lüfterzentrum an­ geordneten Mikrophonpositionen M1, M2, M3 mit LBS-Code im Ent­ wurfspunkt E erfolgt.