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Péus Folie 1 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Auslegung und aeroakustische Optimierung eines Radialventilators
•optimale Laufradform und äußere Abmessungenfür vorgegebene Förderdaten
•Akustische Leistungsvermessung
•Einordnung der Geräuschemissionen
•Schwingungsanalyse
Andy Péus
Péus Folie 2 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Bauart und Hauptabmessungen
•Vorgegebene Förderdaten:
Auslegung und Bau des Ventilatortyps 2:•Radiale Laufradform mit rückwärts gekrümmten Schaufeln
•SpiralgehäuseOrdnungsdiagramm der Ähnlichkeitsmechanik
für Ventilatoren. Quelle: Bommes (2003)
•Dimensionslose Kennzahlen:
Maschinenbauart
•σ,δ (Cordier-Diagramm a)
Hauptabmessungen; Darstellung von Kennlinien
•Ψ,φ,λ und η (Diagramme b und c)
0,250,180,05
Péus Folie 3 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Darstellung der wichtigsten AbmessungenEinlaufdüse
Radiallaufrad•Radiallaufrad• 12 Schaufeln
Verringerung Drehtonlärm
•Spiralgehäuse•Spiralradius R1 auf 0,15 des Laufradaußendurchmesser D2
•mit ausbaubarer Gehäusezunge
Verringerung Drehtonlärm
Gehäusezunge
Péus Folie 4 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Kanalprüfstand für Kleinventilatoren
Messsoftware:•Prüfstand Akustik System (Pak-System)der MüllerBBM VibroAkustikSystemeGmbH
Messhardware:•VXI-Station•Optischer Drehzahlmesser
•Messung über Reflexionsmarke am Laufrad und Antriebswelle
•½“-Mikrofon Brüel & Kjaer•Messposition: Wandschlitzsonde im Kanal
•Laser Vibrometer CLV 1000 Firma Polytec
•Messung über Reflexionsmarke am Motorgehäuse
Prüfstand/Messtechnik
Kanalprüfstand
Péus Folie 5 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Durchgeführte Messungen
Konfiguration 1: unausgewuchtetes Laufrad
Konfiguration 2: in einer Ebene ausgewuchtetes Laufrad (baugleich)
Konfiguration 3: Ventilatoranlage ohne Laufrad
Schalldruckpegel, Drehzahl und effektive Schwinggeschwindigkeit
Hochfahrten n= 3000-10000 U/min im Optimum (t=2min)
ohne Gehäusezunge
Übertragungsmaß Wandschlitzsonde ∆LÜ wurde nicht berücksichtigt (außer es ist angegeben)
Péus Folie 6 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001/min
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
dBRMS
1234567891011121314
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
70 80 90 100 110 120 130
dBRMS
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120s
02000400060008000
100001/min
3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001/min
50
70
90
110
130dB RMS
Gesamtpegel EO 12.Ordnung mag (17) EO 1.Ordnung mag (17)
(Max: 9453 1/min 125.8 dB) (Max: 9796 1/min 115.7 dB)(Max: 9445 1/min 122.0 dB)
Man.: ; Kal.: 0.0118457V/dBFreq.-Sp.: 6400Hz; Mean: 3200HzN_FL: 801; N_BLK: 2048; DF: 8HzAVG: 3; OVL: OFF%; WIN: HanningAcquisition: 26.04.2004 13:18
APS Maximum
984.0 Hz 121.864 dB 160.0 Hz 121.081 dB1968.0 Hz 116.449 dB 104.0 Hz 113.219 dB
Fachhochschule Düsseldo
Konfiguration 1 Grundkonfiguration
1.Drehzahlordnung
1.BFF
Drosseleinfluss
Péus Folie 7 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Konfiguration 1 akustisch optimierte Drossel
3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001/min
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
dBRMS
1234567891011121314
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
70 80 90 100 110 120 130
dBRMS
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120s
02000400060008000
100001/min
3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001/min
50
70
90
110
130dB RMS
Gesamtpegel EO 12.Ordnung mag (17) EO 1.Ordnung mag (17)
(Max: 9538 1/min 125.6 dB) (Max: 9744 1/min 107.0 dB)(Max: 9538 1/min 123.5 dB)
Man.: ; Kal.: 0.0116683V/dBFreq.-Sp.: 6400Hz; Mean: 3200HzN_FL: 801; N_BLK: 2048; DF: 8HzAVG: 3; OVL: OFF%; WIN: HanningAcquisition: 30.04.2004 13:21
APS Maximum
160.0 Hz 123.308 dB 96.0 Hz 114.893 dB 24.0 Hz 113.387 dB 312.0 Hz 108.001 dB
kein Drosseleinfluss
1.Drehzahlordnung
Péus Folie 8 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Konfiguration 3 ohne Laufrad
3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001/min
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
dBRMS
1234567891011121314
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
20 40 60 80 100 120
dBRMS
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120s
02000400060008000
100001/min
3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001/min
40
60
80
100
120dB RMS
Gesamtpegel EO 12.Ordnung mag (17) EO 1.Ordnung mag (17)
(Max: 9100 1/min 118.1 dB) (Max: 3314 1/min 72.7 dB)(Max: 9100 1/min 118.0 dB)
Man.: ; Kal.: 0.0118457V/dBFreq.-Sp.: 6400Hz; Mean: 3200HzN_FL: 801; N_BLK: 2048; DF: 8HzAVG: 3; OVL: OFF%; WIN: HanningAcquisition: 26.04.2004 15:07
APS Maximum
152.0 Hz 117.872 dB 96.0 Hz 109.216 dB 72.0 Hz 103.082 dB 192.0 Hz 99.186 dB
1.Drehzahlordnung
Antriebsmotor
Péus Folie 9 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Modifikationen zur Reduzierung der 1.Drehzahlordnung
•Reduzierung durch verschiedene Dichtungen:
zwischen Motorhalter und Ventilatorgehäuse
•Hartgummi
•Terostat
•ohne Dichtung
•Reduzierung durch ausgewuchtetes Laufrad:
Laufrad in einer Ebene ausgewuchtet
Motor
Ventilatorgehäuse
Péus Folie 10 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Modifikationen zur Reduzierung der 1.Drehzahlordnung•originale Dichtung •ohne Dichtung •Hartgummi(2mm dick)
•Terostat(ca.5mm dick) •Konfiguration 2: Ausgewuchtetes Laufrad (ohne Dichtung)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
70 80 90 100 110 120 130
dBRMS
Acquisition: 30.04.2004 13:21 APS Maximum
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
70 80 90 100 110 120 130
dBRMS
APS Maximum
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
70 80 90 100 110 120 130
dBRMS
Acquisition: 16.07.2004 19:42 APS Maximum
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
70 80 90 100 110 120 130
dBRMS
APS Maximum
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
70 80 90 100 110 120 130
dBRMS
Acquisition: 22.10.2004 17:38 APS Maximum
Lp=123dB Lp=126dB Lp=127dB
Lp=121dB Lp=124dB
Péus Folie 11 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Einordnung der Geräuschemissionen anhand des Rauschspektrums
Lw = A*+B*lg(Ma)
88
90
92
94
96
98
100
-0,90 -0,85 -0,80 -0,75 -0,70 -0,65 -0,60 -0,55 -0,50
lg(Ma)
Lwt
[dB
]
LwtGesamtschall-leistungspegel
= A*geschwindigkeits
-unabhänigerVentilatorquellen
-pegel
+ B*lgMageschwindigkeits
-abhänigerVentilatorquellen-
pegel
LBBezugsgrößen
-pegel
LUSspezifisches. Schallum-setzungsmaß
Lgsspezifisches Geräusch-flächenmaß
B*=10γ
γ =B*/10
Einfluß der inneren und
äußeren Stromfeld-
WirbelstrukturenTurbulenzen,
Wirbelablösung,etc
Einfluß der Baugröße und Konfiguration
des Ventilators
Einfluß der aeroakustischen
Quellen-mechanismen
Einfluß der Stoffwerte
Luft
+ +
LwtGesamtschall-leistungspegel
= A*geschwindigkeits
-unabhänigerVentilatorquellen
-pegel
+ B*lgMageschwindigkeits
-abhänigerVentilatorquellen-
pegel
LBBezugsgrößen
-pegel
LUSspezifisches. Schallum-setzungsmaß
Lgsspezifisches Geräusch-flächenmaß
B*=10γ
γ =B*/10
Einfluß der inneren und
äußeren Stromfeld-
WirbelstrukturenTurbulenzen,
Wirbelablösung,etc
Einfluß der Baugröße und Konfiguration
des Ventilators
Einfluß der aeroakustischen
Quellen-mechanismen
Einfluß der Stoffwerte
Luft
+ +
Herleitung der Emissionskenngrößen LUS und γaus dem Geräuschgesetz:
Rauschkennlinie
spezifisches Schallumsetzungsmaß:
LUS=A*-LB-Lgs
Machzahlexponent:
γ = B*/10
Gekapptes und ungekapptes Spektrum
Péus Folie 12 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Einordnung der Geräuschemissionen anhand des Rauschspektrums
Spezifisches Schallumsetzungsmaß Lus in Abhängigkeit vom Machzahlexponenten γ, ermittelt an Radialventilatoren unterschiedlicher Schnellläufigkeit und Axialventilatoren mit und ohne Leitrad (φ/φOpt=1). Quelle: Bommes (2003)
Symbole:Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten SchaufelnSonderventilatorenNach Neise: γ = 5: Radialventilatoren, γ = 5,5: Axialventilatoren mit Leitrad nach VDI 3731 Blatt 2RR: Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten SchaufelnT: Trommelläufer mit vorwärts gekrümmten SchaufelnAM: Axialventilatoren mit LeitradAO: Axialventilatoren ohne LeitradKonstruierter Ventilator: LUS ≈ -40 dB, γ ≈ 4,4
Péus Folie 13 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Schwingungsanalyse
Aufbau zu Messung der effektiven Schwinggeschwindigkeit
Untersuchung auf Unwucht:Sicherer Maschinenbetrieb
DIN ISO 10816-1Beurteilungskriterieren für Schwingungenvon Maschinen gemessen an nicht rotierenden Teilen (1997)
Effektive Schwinggeschwindigkeit
Ausschnitt Schwingstärkenklassifizierung nach
DIN ISO 10816 – 1 (1997) /14/
Laser Vibrometer
DrehzahlmesserMaschinen < 15kW
Bewertungszonen
Péus Folie 14 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Effektive Schwinggeschwindigkeit: Konfiguration 1
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100001/min
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10mm/sRMS
1234567891011121314
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500Hz
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1314
mm/sRMS
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120s
02000400060008000
100001/min
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100001/min
03
69
12
mm/s RMS
Gesamtpegel EO 1.Ordnung mag (17)
(Max: 4903 1/min 13.6 mm/s) (Max: 4903 1/min 13.6 mm/s)
Man.: ; Kal.: 0.196515V/mm/sFreq.-Sp.: 6400Hz; Mean: 3200HzN_FL: 801; N_BLK: 2048; DF: 8HzAVG: 3; OVL: OFF%; WIN: HanningAcquisition: 21.10.2004 15:16
APS Maximum
80.0 Hz 13.389 mm/s 104.0 Hz 8.389 mm/s 144.0 Hz 3.814 mm/s 296.0 Hz 0.884 mm/s
1.Drehzahlordnung
2.kritische Drehzahlbereiche ca.4500-5300 und 5800-7200 U/min
Péus Folie 15 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Gesamtpegel der effektiven Schwinggeschwindigkeiten veff: Vergleich Konfigurationen 1,2 und 3
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100001/min
0
2
4
6
8
10
12
14
mm/s RMS
Gesamtpegel altes Laufrad/alte Düse
Gesamtpegel neues Laufrad/neue Düse
Gesamtpegel ohne Laufrad/Düse
(Max: 4903 1/min 13.6 mm/s)
(Max: 4948 1/min 15.2 mm/s)
(Max: 4800 1/min 12.8 mm/s)
Konfiguration 1Konfiguration 2Konfiguration 3
veff ≈ 3-4 mm/s
2.kritische Drehzahlbereiche ca.(4500-5300 und 5800-7200 U/min)
Péus Folie 16 Februar 2005
FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Zusammenfassung
leiser, effizienter und relativ kleiner Ventilator
Akustische Einordnung anhand des Rauschspektrums ergibt eine mittlere Güte
1.Drehzahlordnung bzw. Unwucht des Antriebsmotor verantwortlich:
•für den hohen Gesamtschalldruckpegel
•für die effektive Schwinggeschwindigkeit (nur eingeschränkter Dauerbetrieb möglich)
Fazit:
Schwingungsdämpfende Maßnahmen müssen am Antriebmotor durchgeführt werden, dazu sollte der Motor feingewuchtet oder ein besserer Motor ausgewählt werden