Aeroakustische Messungen an Ventilatoren

Die Lärmemission des Axialventilators zur Motorkühlung rückt immer mehr in den Vordergrund der Untersuchungen zahlreicher Ingenieure, da dessen Beitrag zum Geräusch des Fahrzeugs beachtlich ist. Ziel vieler Untersuchungen ist es, am Axialventilator selbst Maßnahmen zur Geräuschminderung herauszuarbeiten. Hierzu ist ein Verständnis der unterschiedlichsten Geräuschentstehungsmechanismen unabdingbar. Das aerodynamisch erzeugte Geräusch bei Axialventilatoren setzt sich in der Regel aus tonalen (ausgeprägte Frequenzen im Schmalbandspektrum) und breitbandigen (ohne besonders ausgeprägte Frequenzen im Schmalbandspektrum) Komponenten zusammen.

Abbildung 1: Frequenzspektrum ohne besonders ausgeprägte Frequenzen (links)

 Frequenzspektrum mit tonalen Anteilen (rechts)

Die Geräuschentwicklung bei Axialventilatoren bei niedrigeren Machzahlen wird hauptsächlich auf die Schaufelkräfte zurückgeführt. Diese lassen sich in stationäre und instationäre Kräfte unterscheiden, wobei erstere aus der Aufgabenstellung des Ventilators resultieren und nicht zu vermeiden sind (sog. Gutin-Lärm). Die instationären Schaufelkräfte verursachen den größten Anteil am Gesamtgeräusch. Mögliche Geräuschmechanismen hierfür sind: Interaktion der turbulenten Zuströmung mit dem Laufrad, Strömungsablösungen an Laufradschaufeln, die Interaktion der turbulenten Grenzschicht mit der Schaufelhinterkante und die Spaltströmung.

Ziel der Untersuchungen ist eine systematische Variation einzelner Geometrieparamtern des Axialventilators (Schaufelzahl, Schaufelform, Schaufelprofil, Schaufelteilung, Spaltform, Motorhaltestreben, …) und Erfassung deren Einfluss auf die daraus resultierende Aerodynamik und Akustik. Hauptaugenmerk dabei ist der Einfluss und Anteil dieser Geräuschentstehungsmechanismen im Frequenzspektrum des Ventilators vom Gesamtgeräusch. Abbildung 2 zeigt eine „mögliche“ Zusammensetzung des Frequenzspektrums des Axialventilators [das zu erreichende Ziel (Zukunft)]

Abbildung 2: Anzustrebendes Ziel der Arbeit: Zusammensetzung des Frequenzspektrums

Die strömungsakustischen Untersuchungen werden am Aero-Akustik-Prüfstand des Fachgebiet Strömungsmaschinen durchgeführt. Dieser Prüfstand erlaubt gleichzeitige Messungen der aerodynamischen (nach ISO 5801) sowie der akustischen Kenngrößen (nach ISO 3741).

Geräuschvorhersage von Axialventilatoren: Anwendung und Entwicklung vorhandener Geräuschvorhersage-Modelle

Bei der Anwendung vorhandener Geräuschvorhersage-Modelle werden verschiedene Eingangsgrößen (Schaufelzahl, Schaufellänge, Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenzgrad, …) benötigt. Strömungsgeschwindigkeiten am Laufrad können durch gezielte Auslegungen angenommen werden. Zur Ermittlung von wichtigen Größen wie Turbulenzgrad oder zur Visualisierung der Spaltströmung findet ein optisches Messverfahren wie Particle Image Velocimetry Anwendung (Abbildung 3).

Abbildung 3: Visualisierung der Spaltströmung beim Axialventilator