Mechanism for Tonal Noise at Blade Passing Frequency from an Isolated Axial Fan Rotor
Final Report Abstract
Moderne Ventilatoren müssen energetisch effizient und gleichzeitig möglicht leise arbeiten. Gründe hierfür sind immer strengere gesetzliche Vorgaben und die zunehmenden Anforderungen an Komfort und Umweltschutz. Das akustische Spektrum eines Ventilators wird häufig von tonalen Schallkomponenten dominiert. Charakteristisch dabei ist der so genannte Drehton, dessen Frequenz sich aus dem Produkt von Drehzahl und Schaufelzahl bestimmt. Das Zusammenspiel mit den dazugehörigen höheren Harmonischen ergibt den Drehklang. Während bei Ventilatoren mit vor- oder nachgeschalteten Leiträdern oder Streben der Drehton auf einen Interaktionsmechanismus zurückzuführen ist, war der Entstehungsmechanismus des Drehtons bei freilaufenden Laufrädern noch unbekannt. Basierend auf dem aktuellen Forschungsstand wurden drei Hypothesen zur Drehtonentstehung aufgestellt und im Rahmen des Forschungsvorhabens überprüft: (i) Großräumige Strukturen werden aus der freien Umgebung angesaugt und interagieren mit den rotierenden Schaufeln, (ii) Selbstinduktion von Wirbeln im Ansaugbereich und Interaktion mit den rotierenden Schaufeln, (iii) Induktion von Kopfspaltwirbeln und Interaktion mit Nachbarschaufeln. Für die experimentellen Untersuchungen wurde eine Ventilatoreneinheit ausgelegt, konzipiert und gefertigt und auf genormten Prüfständen der Forschungsstelle vermessen. Es wurden mehrere Laufräder mit unterschiedlichen Spaltverhältnissen gefertigt. Ein weiterer Schaufelsatz wurde in einem aufwändigen Verfahren mit Miniaturmikrofonen versehen, um die akustisch relevanten Schaufelwechseldrücke messtechnisch erfassen zu können. Zur Variation der Zuströmbedingungen wurde ein halbkugelförmiger Turbulenzschirm auf Basis der einschlägigen Literatur entworfen. Vorrichtungen zur Strömungsvisualisierungen erlauben eine Sichtbarmachung der Strömungsverhältnisse im Einlauf des Ventilators. Mittels 3D-Hitzdrahtanemometrie und einer aufwändigen Positioniervorrichtung wurde die Zuströmung in einer Ebene im Zulauf zudem quantitativ erfasst. Klassische Navier-Stokes Löser sowie die Lattice-Boltzmann Methode wurde verwendet, um das Stromfeld sowohl aus aerodynamischer als auch akustischer Sicht numerisch untersuchen zu können. Zunächst konnte gezeigt werden, dass die unerwartete räumlich inhomogene Zuströmung den entscheidenden Schallmechanismus darstellt und nicht etwa der Kopfspalt oder eine Selbstinduktion von Wirbeln für die Drehtonentstehung verantwortlich sind. Experimentelle Modalanalyse, Rauchvisualisierungen, Hitzdrahtmessungen sowie die Simulationsergebnisse zeigten übereinstimmend, dass die Interaktion des Laufrads mit bisher nicht vermuteten turblenten Strukturen in der Zuströmung die Ursache für die Entstehung des Drehtons ist. Mit Hilfe von Simulationen des gekoppelten Systems Ventilator/Raum konnte weiterhin gezeigt werden, dass vor allem die Interaktion der Vorderkante im Schaufelspitzenbereich mit turbulenten Strukturen in unmittelbarer Nähe der Gehäusewand entscheidend für die Drehtonentstehung ist. Üblicherweise hat man bislang das Ansaugen aus großen Räumen immer als störungsfrei („freiansaugend“) angenommen. Es zeigte sich allerdings, dass der großskalige umgebende Raum die Zuströmung deutlich beeinflusst, obwohl sämtliche Vorgaben der gültigen Normen für akustische Prüfstände für Axialventilatoren eingehalten werden. Die Normen scheinen diesem Punkt nicht gerecht zu werden. Eine zusätzliche Vorrichtung zur Erzeugung definierter Zuströmbedingungen, wie etwa der in diesem Projekt verwendete Turbulenzschirm, wäre daher empfehlenswert, um vergleichbare und reproduzierbare Messdaten zu erhalten.
Publications
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Tonal Fan Noise of an Isolated Axial Fan Rotor due to Inhomogeneous Coherent Structures at the Intake. Noise Control Engr. J. 60 (6), pp. 699-706, 2012
Sturm, M.; Carolus, T.
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Impact of the Large-Scale Environment on the Tonal Noise of Axial Fans. Journal of Power and Energy 227(6), pp. 703-710, 2013
Sturm, M.; Carolus, T.
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Large Scale Inflow Distortions as a Source Mechanism for Discrete Frequency Sound from Isolated Axial Fans. Proc. 19th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Berlin, Germany, 2013
Sturm, M.; Carolus, T.
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Experimental and Numerical Investigation of Tip Clearance Noise of an Axial Fan Using a Lattice Boltzmann Method. Proc. 21st International Congress on Sound and Vibration, Beijing, China, 2014
Zhu, T.; Sturm, M.; Carolus, T.; Neuhierl, B.; Pérot, F.
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Unsteadiness of Blade-Passing Frequency Tones of Axial Fans. Proc. 21st International Congress on Sound and Vibration, Beijing, China, 2014
Sturm, M.; Carolus, T.
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A Low Pressure Axial Fan for Benchmarking Prediction Methods for Aerodynamic Performance and Sound. Fan2015, Lyon, France, 2015
Carolus, T.; Zhu, T.; Sturm, M.
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Aeroacoustic Simulation of an Axial Fan Including the Full Test Rig by Using the Lattice Boltzmann Method. Fan2015, Lyon, France, 2015
Sturm, M.; Sanjosé, M.; Moreau, S.; Carolus, T.
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Application of Analytical Noise Models using Numerical and Experimental Fan Data. 11th European Conference on Turbomachinery, Madrid, Spain, 2015
Sturm, M.; Sanjosé, M.; Moreau, S.; Carolus, T.
