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Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.1 SoSe14 Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerk

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Präsentation zum Thema: "Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.1 SoSe14 Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerk"—  Präsentation transkript:

1 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.1 SoSe14 Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerk Der elektrische Strom gelangt über die Halteleinen zum Boden!

2 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.2 SoSe14 … neuer interessanter Link ation/big-idea-airborne-wind-turbines/ … Google investiert in ein ähnliches Konzept

3 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.3 SoSe14 Frank Kameier Strömungstechnik II 8. Vorlesung Strömungsmaschinen Ventilatoren / Radialverdichter Grundlagen Regelung und Energieeffizienz Strömung in Laufrad und Spiralgehäuse von Radialventilatoren

4 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.4 SoSe14 Aufbau eines Radialventilators

5 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.5 SoSe14 Spiralgehäuse Jeder Ventilator ohne Gehäuse mit logarithmischer Spirale kann aerodynamisch verbessert werden! Vier-Radien-Methode (Bommes)

6 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.6 SoSe14 Welche Rolle spielt die Kompressibilität der Luft?  Druckerhöhung < Pa ideale Gasgleichung Ventilatoren Was versteht man unter einem Ventilator? 1_HDT_Ventilatoren_dichte_differenzdruck xlsx

7 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.7 SoSe14 Temperaturerhöhung in Folge einer Druckänderung (kompressible Strömung, Ventilator) 2_HDT_Ventilatoren_isentrope_temperaturerhoehung_excel2010_ xlsx Faustformel: pro 1000 Pa Druckerhöhung ergibt sich 1K Temperaturerhöhung 7 Was versteht man unter einem Ventilator?

8 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.8 SoSe14 Kompressible Strömungen aus den Isentropenbeziehungen, vgl. Schade/Kunz/Paschereit/Kameier (2007) 3_HDT_Ventilatoren_kompressibel_inkompressibel_excel2010_060313_lösung.xlsx Was versteht man unter einem Ventilator?

9 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.9 SoSe14 Kompressible Strömung – Näherung mit mittlerer Dichte (hier: Staubsaugergebläse) Was versteht man unter einem Ventilator?

10 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.10 SoSe14 Wann ist ein Ventilator effizient? Gültig nur für Radialventilator mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln (efficiency grade 61 )! ErP COMMISSION REGULATION (EU): implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for fans driven by motors with an electric input power between 125 W and 500 kW, No 327/2011, 30 March 2011 Was versteht man unter einem Ventilator?

11 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.11 SoSe14 Wann ist ein Ventilator besonders effizient? 1.) Die Strömung muss den Schaufeln des Rotors folgen. 2.) Die Umlenkung zwischen rotierendem und raumfestem System muss optimal sein: Rotor und Stator (Laufrad und Gehäuse) müssen so nah wie möglich aneinander grenzen! Diese Abstände müssen klein sein! Nachteil: Ventilator wird laut! Was versteht man unter einem Ventilator?

12 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.12 SoSe14 VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen Wie ermittelt man die „Akustik“ eines Ventilators? Was versteht man unter einem Ventilator?

13 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.13 SoSe14 Schallleistungspegel=Schalldruckpegel + durchschallte Fläche (A 0 =1m 2 ) VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen Was versteht man unter einem Ventilator? 4_HDT_Ventilatoren_Prognose_Lw_ueber_St_ xlsx

14 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.14 SoSe14 Lüfterkennlinie Wirkungsgrad Schallpegel Im optimalen Betriebspunkt sind  der Wirkungsgrad maximal  der Schallpegel minimal Kennlinie Wirkungsgrad Schalldruckpegel η LwLw ΔpΔp optimaler Betriebspunkt V

15 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.15 SoSe14 Euler-Diagramm - Drehimpulsbilanz - Verluste

16 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.16 SoSe14 Energieeffizienz versus Geräusche

17 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.17 SoSe14 Regelung von Ventilatoren - Drosselklappe

18 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.18 SoSe14 Regelung von Ventilatoren - Drallregler

19 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.19 SoSe14 Regelung von Ventilatoren - Drehzahlreglung

20 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.20 SoSe14 Drehzahlregelung  Abschaltung eines Großkraftwerks in der BRD 1 – Drosselklappe 2 – Drallregler 3 – Drehzahlreglung Radgen (2002), Fraunhofer- Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung, Karlsruhe

21 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.21 SoSe14 Klimazentralgerät mit freilaufendem Radialventilator (Fa. Rox)

22 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.22 SoSe14 Siepert, H., Kennfeldverlauf eines Radialrades mit und ohne Spiralgehäuse, HLH Bd. 58, Nr. 8, 2007 Vergleich mit und ohne Spiralgehäuse über 10 %-Punkte Wirkungsgraddifferenz

23 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.23 SoSe14 15_HDT_Trocknungsofen_kalt_warm_Kennlinienhochrechnung_ xls Radialventilator – Betrieb in einem Trocknungsofen (warm/kalt Betrieb) kalt warm idealer Weg (temperaturgeregelte Drehzahl) ungeregelter Weg - Stand der Technik -

24 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.24 SoSe14 Frank Kameier (Professor for Fluid Mechanics and Acoustics) Sophia Schönwald Robert Heinze Tobias Pohlmann University of Applied Sciences Dept. of Mechanical & Process Engineering - Institute of Sound and Vibration Engineering - Industrial centrifugal fans – low energy consumption and low noise design (a)Introduction / State-of-the-art (b)The Cordier-Diagram (c)Influence of blade design on efficiency (d)The “Düsseldorf” design methodology (e)CFD results (f)Summary

25 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.25 SoSe14 Industrial ventilation fan for a broad operating range There is no benefit of a centrifugal fan with forward curved blades to a machine with backwards curved Blades. … the common industrial view is different!

26 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.26 SoSe14 The Diagram of Otto Cordier from 1953 Which machine can provide pressure rise and flow rate with high efficiency? non-dimensional rotor speed non-dimensional rotor diameter

27 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.27 SoSe14 The Cordier-Diagram by Willi Bohl 1980 Which machine can provide pressure rise and flow rate with high efficiency? non-dimensional rotor speed (specific speed) non-dimensional rotor diameter (specific diameter) compressors turbines The impeller design influences the overall efficiency! Not considered in the Cordier-Diagram! specific speed specific diameter

28 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.28 SoSe14 forward curved radial tipped backward curved Different blade curvatures of centrifugal fans

29 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.29 SoSe14 Influence of the blade design on efficiency, pressure rise and the non-dimensional power

30 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.30 SoSe14 Performance in comparison backwards/forward curved blades “Backwards curved” needs higher rotational speed and results in same performance with much higher efficiency!

31 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.31 SoSe14 “Düsseldorf” design tool Graphical user interface based on EXCEL connected to AutoDesk for 3-D design.

32 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.32 SoSe14 “Düsseldorf” design procedure

33 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.33 SoSe14 “Düsseldorf” impeller design (Bommes – design concept) impeller/inlet nozzle gap - a main importance from acoustical point of view

34 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.34 SoSe14 “Düsseldorf” impeller design (Bommes – design concept) Horvat (2009) found new impeller /casing position for an improved acoustics. (Cut-off with big round nose and moved position into the casing volute.)

35 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.35 SoSe14 “Düsseldorf” impeller design (Bommes – design concept) 3-D design of casing and impeller are available for further CFD and FEM calculations.

36 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.36 SoSe14 impeller with volute casing free-wheeling impeller without casing Investigation of up-stream effects on the flow in an impeller blade section

37 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.37 SoSe14 impeller with volute casing free-wheeling impeller without casing Investigation of up-stream effects on the flow in an impeller blade section

38 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.38 SoSe14 impeller with volute casing free-wheeling impeller without casing Investigation of up-stream effects on the flow in an impeller blade section … from acoustics point of view: with volute – no blade passing frequencyfree-wheeling impeller – with blade passing frequency

39 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.39 SoSe14 Variation of the casing width – Ph.d.-Thesis Schönwald % increased width 60% increased width

40 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.40 SoSe14 Variation of the casing width – Ph.d.-Thesis Schönwald % increased width 60% increased width

41 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.41 SoSe14 Variation of the casing width Original 60% increased width

42 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.42 SoSe14 Summary – Industrial centrifugal fans – low energy consumption and low noise design Centrifugal fans designed with the guidelines of L. Bommes have an efficiency up to 87% with moderate noise emission. The “Düsseldorf” design concept allows to design a complete machine for any application in a few steps. The “too” often used centrifugal fans with forward curved blades should not be used any more. The efficiency of 60 % results in “energy wasting”. For a permanent running 20 kW machine around 6000 € could be saved in one year. Accurate CFD calculations are only possible with a hexahedral impeller grid and transient calculations over a minimum of 3 revolutions.

43 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.43 SoSe14 Optimale Position der Einlaufdüse - Einfluss der Spaltströmung auf die Kennlinien -

44 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.44 SoSe14 44 Optimale Position der Einlaufdüse - Einfluss der Spaltströmung auf die Kennlinien -

45 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.45 SoSe14 Parametrisierung der Radien (Positionierung der Einlaufdüse) Die gedachte Verlängerung der Tangente am inneren Ende der Einlaufdüse soll den Deckscheibenradius durch beide Enden schneiden. Spaltlänge Spaltweite Deckscheibenradius Einlaufdüsenradius

46 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.46 SoSe14 Strömungsführung des Spaltstroms (CFD-Rechnung) Optimale Führung Sekundärströmung in der Ecke

47 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.47 SoSe14 47 Abgedichteter Spalt an der Einlaufdüse Dichtband Abdichtung des Spaltes zwischen Laufrad und Einlaufdüse.

48 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.48 SoSe14 Dimensionsloses Kennfeld – mit und ohne abgedichtetem Spalt Aufwertung der Ventilatorkennlinie durch Abdichtung des Spaltes.

49 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.49 SoSe14 49 Spezifischer Schallleistungspegel: Normierung auf die Förderleistung … ermöglicht eine Vergleichbarkeit von Strömungsmaschinen unterschiedlicher Bautypen. Der spezifischer Schallleistungspegel nach Madison … Referenzgrößen

50 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.50 SoSe14 Spezifischer Schallleistungspegel versus Wirkungsgrad Der Spalt ist Bauteil mit akustischem Einfluss! „effizient“ aber nicht „leise“ Der Spalt ist Bauteil mit akustischem Einfluss! „effizient“ aber nicht „leise“

51 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.51 SoSe14 Low Noise Design: akustisch optimierte Gehäusezunge zz Unter akustischen Gesichtspunkten optimierte Zunge - „fest verdrahtet“ in parametrisierter Zeichnung. Der Abstand zwischen Laufrad und Zunge beträgt 0,125-0,167 vom Laufraddurchmesser. Die Zunge ist nicht das nächste feststehende Bauteil zum Laufrad. Der Radius der Gehäusezunge sollte einen möglichst großen Radius haben. Akustisch wirksame Zunge ist strömungstechnisch nicht optimal  Wirkungsgradverlust !

52 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.52 SoSe14 Gehäusezunge – reduzierte Effizienz verbesserte Akustik

53 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.53 SoSe14 Dimensionsloses Kennfeld – Vergleich Original und Modifikation

54 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.54 SoSe14 Spezifischer Schallleistungspegel – Original und Modifikation Die Konfiguration mit der modifizierten Gehäusezunge ist im Auslegungspunkt leiser. ≈ 4 dB

55 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.55 SoSe14 Schmalbandspektrum - Blattfolgefrequenz ca. 10 dB Im Vergleich zum Original-Design kann der Pegel der BFF um über 10 dB gesenkt werden. ca. 10 dB Im Vergleich zum Original-Design kann der Pegel der BFF um über 10 dB gesenkt werden.

56 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.56 SoSe14 rückwärts gekrümmtgeraderadial endend Einfluss der Schaufelwinkel auf die Aerodynamik und Akustik - keine Optimierung -

57 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.57 SoSe14 rückwärts gekrümmt geraderadial endend Dimensionsloses Kennfeld – Vergleich der Schaufelformen flache Kennlinie war Kundenwunsch!

58 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.58 SoSe14 Das Laufrad mit rückwärts gekrümmten Schaufeln ist über weite Teile der Kennlinie akustisch am günstigsten. rückwärts gekrümmt gerade radial endend Auslegung leisester Betrieb - Gehäuse ist zu klein - (Gesetz von MADISON (1949)) Spezifischer Schallleistungspegel – Vergleich der Schaufelformen

59 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.59 SoSe14 Spezifischer Schallleistungspegel versus Wirkungsgrad 59 rückwärts gekrümmt ist „leise“ und „effizient“ rückwärts gekrümmt gerade radial endend

60 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.60 SoSe14 Geräuschprognose mittels Ähnlichkeitstheorie Variation der Zungengeometrie

61 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.61 SoSe14 Hier exemplarisch: Variation der Zungengeometrie Spiralgehäuse mit Vier-Radien-Methode konstruiert

62 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.62 SoSe14 Geräuschprognose mittels Ähnlichkeitstheorie (Gesetz von MADISON (1949)) Variation der Zungengeometrie

63 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.63 SoSe14 Zungenabstand und Geräuschentstehung s [mm]  Laufrad = 380 mm

64 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.64 SoSe14 Zungenabstand und Geräuschentstehung s [mm]  Laufrad = 380 mm

65 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL8/ Nr.65 SoSe14 Literaturangaben Horvat, I., Kameier, F.: CAE für Radialventilatoren unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes – Energieeffizienz, Haltbarkeit, Lärm, FKZ 1776X07, BMBF Forschungsprojektes, Abschlussbericht Juni Willburger, A.,Lawerenz, M., Hoppe, L., Düsen- und Beschaufelungsgeometrie freilaufender Radialventilatoren, HLH Bd. 59 Br. 1, 2008 Bommes, Fricke, Grundmann (Hrsg.), Ventilatoren, 2. Auflage, Essen, Vulkan-Verlag Bommes, L., Reinartz, D., Entwurfspolynome zur optimalen Auswahl und Bemessung von Industrieventilatoren radialer Bauart, 5th Conference of Industrial Fans, Zakopane, 6-8th October Bommes, L., Reinartz, D., Polynomisches Verfahren zur optimalen Gestaltung von Radialventilatoren, HLH Bd. 48 Nr. 4, Bommes, L.: Minderung des Drehklanges bei einem Radialventilator kleiner Schnellläufigkeit, Fo-Bericht Nr. 2895, Westdeutscher Verlag, Bommes, L., Brockmeyer, H., Reinders, H., Lüftungstechnisches Taschenbuch, Niederrhein- Verlag, 1975 Bommes, L., Problemlösungen bei der Gestaltung von Radialventilatoren, HLH Bd. 25 Br. 12, 1974


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