FH Dstroemungsakustik.de/old.mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Ka... · 2017. 2. 20. · einfachen Aufbau zu konstruieren, lag darin, einige Kenndaten wie Drehzahl, und Volumenstrom des

Strömungsakustische Untersuchung einer Antriebseinheit fürVakuumreiniger

Diplomarbeit

im Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik

an der

Fachhochschule Düsseldorf

Prof. Dr.-Ing. F. Kameier

Dipl.-Ing. D. Reinartz

Fachhochschule Düsseldorf

vorgelegt von

Önder ªanlialp

Matrikel-Nr. 296153

FH DFachhochschule Düsseldorf

Düsseldorf, April 1999Einleitung

Strömungsmaschinen in Vakuumreinigern oder Staubsaugern, die auch

zur Naßreinigung eingesetzt werden, gehören zu der Gruppe der

Kleinstgebläsen, die im Ventilatorenbau oft vernachlässigt werden,

deswegen ist auch kaum Literatur über dieses Thema zu finden.

Die hier zu untersuchende Antriebseinheit besteht aus einem

einstufigem Gebläse mit Leitapparat sowie einem Universalmotor mit

Kühllüfter. Aufgrund der hohen Drehzahl, die mehr als 25000U/min

beträgt, werden Geräusche erzeugt, die vom menschlichen Ohr als

besonders störend empfunden werden. Möglichkeiten zur akustischen

Verbesserung sind zum einen die Drehzahlreduktion und der Bau

zweistufiger Gebläse, um dennoch die hohen geforderten Drücke zu

erreichen. Zum anderen bietet die aerodynamische Optimierung und die

damit verbundene Reduktion von Strömungsablösungen einen zwar

schwierigen aber begehbaren Weg.

Aufgabe dieser Arbeit ist, eine Bestandsaufnahme der

aerodynamischen und akustischen Kenngrößen des Radialventilators

eines Vakuumreinigers durchzuführen. Hierzu ist die

Strömungsmaschine in einen Kanalprüfstand einzubauen, wobei die

aerodynamischen Einbaubedingungen des Staubsaugers möglichst

realitätsnah untersuchbar sein sollen. Es soll im wesentlichen versucht

werden, die dominierenden Geräuschquellen zu lokalisieren, zu

beschreiben und eventuelle Maßnahmen zu Lärmminderung

durchzuführen.

Inhaltsverzeichnis

Formelzeichen...................................................................................................... .1

Einleitung.............................................................................................................. .3

1 Berechnung der Meßgrößen.......................................................................... .4

2 Versuchsaufbau..............................................................................................13

3 Maßnahmen zur Lärmminderung.................................................................. 21

4 Meßergebnisse ............................................................................................... 27 4.1 Untersuchung verschiedener Ventilatoren am Kanalprüfstand...................27

4.2 Untersuchung der Motordeckel im Staubsauger........................................ 45

4.3 Untersuchung der Ventilatordeckel im Staubsauger.................................. 53

4.4 Untersuchung des Originalstaubsaugers und des modifizierten

Staubsaugers.............................................................................................. 65

4.4.1 Untersuchung des Originalstaubsaugers und des modifizierten

Staubsaugers bei konstanter Drehzahl................................................. 68


Staubsaugers bei nicht konstanter Drehzahl........................................ 77

4.5 Aerodynamische und akustische Kenngrößen des Staubsaugers

am provisorischen Prüfstandsaufbau......................................................... 91

5 Optimierungsvorschläge................................................................................ 92

Zusammenfassung.............................................................................................. 98

Literaturverzeichnis............................................................................................100

Kapitel 1: Berechnung der Meßgrößen 4

1 Berechnung der Meßgrößen

Aerodynamische Kenngrößen

Fördermassenstrom und Volumenstrom

Die Bestimmung des Fördermassenstroms erfolgt mit Hilfe einer kalibrierten Einlauf-

düse. Für Strömungsgeschwindigkeiten, die kleiner sind als 50m/s, ist der

Einfluß der Kompressibilität auf Massenstrommengen kleiner als 1%. Deswegen

kann man annehmen, daß die Dichte ρ konstant bleibt. Der Massenstrom läßt sich

somit berechnen aus

und der Durchflußzahl αD =0,94 für die hier verwendete Düse, vgl. [5].

Der Quotient aus dem Massenstrom und der Dichte ρ ergibt den Volumenstrom

.

Die Geschwindigkeiten am Ein- und Austritt des Ventilators lassen sich mit der

Kontiunitätsgleichung berechnen.

Geschwindigkeit cD

Die Geschwindigkeit cD ist gleich dem Volumenstrom dividiert durch die

Querschnittsfläche der Düse

mit .

ρ

∆⋅⋅

π⋅ρ⋅α= D2

DDp

2d4

m&

2DD

d4

A ⋅π

=

m&

ρ=

mV

&&

V&

DD A

Vc

&=

m&


Geschwindigkeit cE am Eintritt

Die Geschwindigkeit cE am Eintritt des Ventilators ist gleich dem Volumenstrom

dividiert durch die Querschnittsfläche AR des Rohres

mit: .

Geschwindigkeit cA am Austritt

Die Geschwindigkeit cA am Austritt des Ventilators ist

=> mit AA = Austrittsfläche des

Ventilatorgehäuses.

Gesamtdruckerhöhung ∆∆pfa und ∆∆pt

Die Druckerhöhung ∆p des Ventilators berechnet sich gemäß der Bernoulli-

Gleichung ohne Berücksichtigung von Verlusten

,

für den Ventilator gilt also

,

RE A

Vc

.

= 2RR d

4A ⋅

π=

REAAAcAc ⋅=⋅

RA

EA A

A

cc ⋅=

ρ+=

ρ∆

+ρ

+ 2221

21 p

2

cpp

2

c

2

ccppp21

2212 −

+ρ

−=

ρ∆

V&


oder für die Druckerhöhung des Ventilators

.

Gesamtdruck totale Druck- statischer dynamischer

druckerhöhung Druck Druck

Wenn der Eintrittsquerschnitt AE gleich dem Austrittsquerschnitt AA ist, dann ist der

Gesamtdruck gleich dem statischen Druck:

.

Beim frei ausblasenden Ventilator ist

p2 = pb = Umgebungsdruck und mit p1 = pb - ∆p1

è ,

è ,

da theoretisch für c2 gilt:

c2 = 0 ,

wird ein ∆pfrei ausblasend definiert:

.

2cc

pppp21

22

12t

−⋅ρ+−=∆=∆

12 ppp −=∆

2

ccpppp

21

22

1bb

−⋅ρ+∆+−=∆

2

ccpp

21

22

1

−⋅ρ+∆=∆

2

cpp

21

1fa ⋅ρ∆=∆ −


Folgender Zusammenhang besteht nun zwischen ∆pt und ∆pfa:

.

Förderleistung Pfa

Die Förderleistung des frei ausblasenden Ventilators läßt sich errechnen aus dem

Volumenstrom multipliziert mit der Druckerhöhung ∆pfa:

.

Die dimensionslosen Kenngrößen

Durchfluß- oder Lieferzahl ϕϕ

Die Durchfluß- oder Lieferzahl ist gleich dem Volumenstrom bezogen auf die

Umfangsgeschwindigkeit u2 und die Querschnittsfläche A2 des Laufrades.

mit ; und

D2 = Durchmesser des Laufrades am Austritt.

2

cpp

22

fat⋅ρ+∆=∆

fafapVP ∆⋅= &

22 D2u ⋅π⋅=

V&

2AuV.

⋅=ϕ 2

22 D4

A ⋅π

=


Druckzahl ψψfa

Die Druckzahl ψfa ist der Quotient aus der Druckerhöhung ∆pfa und dem aus der

Umfangsgeschwindigkeit u gebildeten Druck :

.

Wirkungsgrad ηη

In der vorliegenden Arbeit werden sämtliche aerodynamischen Messungen mit dem

gleichen elektrischen Antriebsmotor des Ventilators durchgeführt. Die erwartete

Änderung der elektrischen Leistung ist gering, zudem ist zum Vergleich der

Strömungsmaschinen lediglich der Kurvenverlauf (Maximum) des Wirkungsgrads in

Abhängigkeit vom Volumenstrom oder der Lieferzahl von Interesse. Da der

Motorwirkungsgrad des Antriebs unbekannt ist, sind die hier angegebenen

Absolutwerte des Wirkungsgrads der Strömungsmaschine nicht richtig. Für die

Interpretation der Ergebnisse werden hier aber auch nur Wirkungsgradänderungen

und das Maximum des Wirkungsgrads betrachtet. Der Motorwirkungsgrad ist als

konstant angenommen worden. Die hier gemäß den obigen Ausführungen

verwendeten Werte für den aerodynamischen Wirkungsgrad sind nach folgender

Formel berechnet worden

. .

.

22

fafa u

p2

⋅ρ

∆⋅=ψ

2

u 22⋅ρ

elP

faP

elP

V.

fap

=⋅∆

=η


Akustische Kenngrößen

Schalldruckpegel Lp

Der gemessene Schalldruckpegel ist gleich

mit = Effektivwert des Schalldrucks= ,

pA= Druckamplitude ,

= Bezugsschalldruck = Pa .

Schalleistungspegel Lw

Der Schalleistungspegel ist ein Maß für die Größe der von der Schallquelle

abgestrahlten Schalleistung.

mit: P0 =Bezugsschalleistung= .

Zusammenhang Schalldruckpegel und Schalleistungspegel

mit A0 =Bezugsfläche=1m².

[ ]dBp~p~

lg20p

L0

= p~

0p~

0PP

lg10wL =

5102 −⋅

2

pA

[ ]dBAA

lg10pLwL0

+=

W101 12−⋅


spezifische Schalleistungspegel LWs

Um das Geräuschverhalten von unterschiedlichen Ventilatoren miteinander

vergleichen zu können, müssen dabei die aerodynamischen Werte mit berücksichtigt

werden. Denn Schallpegelmessungen bei Strömungsmaschinen ohne gleichzeitige

Bestimmung und Berücksichtigung der aerodynamischen Werte sind nicht sehr

nutzbringend. Vergleiche des Schalldruckpegels von Ventilatoren unterschiedlichen

Bautyps geben nur Sinn, wenn sichergestellt ist, daß die Arbeitspunkte auch

aerodynamisch vergleichbar sind. Der spezifische Schalleistungspegel bietet

dagegen die Möglichkeit verschiedene Ventilatoren über ihren gesamten

Kennlinienbereich, also bei unterschiedlicher aerodynamischer Leistungsumsetzung,

miteinander vergleichen zu können. Im folgenden wird eine kurze

mathematische Beschreibung des Ventilatorgeräusches nach [2] wiedergegeben.

Neise hat in einer Untersuchung acht Ventilatoren unterschiedlichen Bautyps hin-

sichtlich ihrer Geräuscherzeugung miteinander verglichen. Für den Vergleich hat er

drei verschiedene Formulierungen des spezifischen Schalleistungspegel die im

folgenden aufgeführt sind, in Betracht gezogen.

Die folgende Beziehung beschreibt die Strömungsleistung:

mit ; .

In [2] wird die Schalleistung beschrieben durch die Proportionalität

mit ρ0= Dichte des Strömungsmediums,

a0= Schallgeschwindigkeit des

Mediums,

m= Exponent für die Strömungs-

Machzahl.

3u2D~P ⋅⋅ρ u2D~V ⋅& 2u~p ⋅ρ∆

m

0au3u2D

0~P

⋅⋅ρ


Neise hat in [2] mit Dividieren der Schalleistung durch die Strömungsleistung in

logarithmischer Form die spezifische Schalleistung erhalten, die er den akustischen

Wirkungsgrad nennt.

(1)

mit und .

Diese Gleichung ist dimensionsmäßig richtig, aber sie stimmt mit der Erfahrung nicht

überein. Denn langsam drehende Strömungsmaschinen werden gemäß dieser

Formel als zu leise und schnell drehende Strömungsmaschinen als zu laut

bewertet.

Die bekannteste Abschätzungsformel für den Schalleistungpegel ist die unten auf-

geführte Gleichung von Madison aus der Beziehung

in logarithmischer Form:

. (2)

Obwohl diese Gleichung dimensionsmäßig falsch ist, stimmt sie mit der Erfahrung

gut überein.

Die folgende Gleichung von Regenscheit setzt, wie die erste Gleichung, die

Schalleistung proportional zur Strömungsleistung und erweitert diese mit

0t

t

0p

plg10

V

Vlg10wLswL

∆

∆⋅−⋅−=η &

&

0t

t

0p

plg20

V

Vlg10wLsMwL

∆

∆⋅−−=

&

&

3m1V0

=&

5220

uD~P ⋅⋅ρ

⋅

−

η⋅

m

0t au

11

lg10

Pa1p 0t =∆


(3)

mit m=2,5 für Axialventilatoren,

und m=2 für Radialventilatoren.

Die oben angegebenen Werte für den Machzahl-Exponenten m gelten nur für

Umfangsgeschwindigkeiten bis etwa 50 m/s. Für höhere

Umfangsgeschwindigkeiten muß man höhere Werte für m wählen[1]. Da bei dieser

Arbeit die Umfangsgeschwindigkeiten der Versuchsventilatoren ungefähr die

gleiche Größenordnung haben, und die Absolutwerte nicht interessieren, kann

man für Radialventilatoren in die Gleichung von Regenscheit m=2 einsetzen.

Eine zuverlässige Wirkungsgradbestimmung ist zur Verwendung der Formel von

Regenscheit allerdings notwendig, daher ist in dieser Arbeit die Gleichung von

Madison benutzt worden. In der Praxis ist sie auch weit verbreitet.

−

η⋅−

∆

∆⋅−−=

m

0t0t

t

0au

11

lg10p

plg10

V

Vlg10LwsRwL &

&

Kapitel 2: Versuchsaufbau 13

2 Versuchsaufbau

Provisorische Prüfstandsaufbau für den Staubsauger

Der in Bild 1 dargestellte Prüfstand ist gebaut worden, um die Konstruktionszeit für

den eigentlichen Prüfstand, siehe Bild 2, zu überbrücken. Die Überlegung, diesen

einfachen Aufbau zu konstruieren, lag darin, einige Kenndaten wie Drehzahl, und

Volumenstrom des Staubsaugers kennenzulernen, da diese nicht bekannt waren. In

der Bedienungsanleitung des Staubsaugers ist die totale Druckerhöhung mit

18000Pa und die elektrische Leistung mit 1300W angegeben.

Der Prüfstand besteht aus einem 1m langen HT-Rohr (∅ 50mm), welches in einen

720 mm langen konisch verlaufenden Stahlrohr ( ∅ 90mmà ∅32mm) eingesteckt

und mit Silikon abgedichtet worden ist. Das Stahlrohr ist mit einer normierten

Einlaufdüse [5] verbunden worden. Unmittelbar nach der Düse befindet sich die

Ringleitung, womit der Düsenunterdruck ∆pD gemessen worden ist. Um den

Unterdruck ∆pE am Eintritt des Staubsaugers zu ermitteln, sind in einem Abstand

von 75mm (hier 2x ∅Rohr 50mm) nach DIN 24 163 Teil 2 [7] vier

Wandanbohrungen (∅ 2mm) an dem HT-Rohr angebracht und in diese sind

Messingrohre (l =25mm) eingeklebt worden, die mittels einer Ringleitung miteinander

verbunden worden sind. Eine weitere Wandanbohrung ist in einem Abstand von

500mm zum Staubsaugereintritt am Rohr angebracht worden. In diese Bohrung ist

ein Messingrohr (l=30mm) eingeklebt worden, auf das ein ½ Zoll-Mikrofon gesetzt

werden konnte.




Der saugseitige Kanalprüfstand

Der saugseitige Rohrprüfstand nach DIN 24 163 Teil 2 [7] besteht aus folgendenBauteilen:

- normierte Viertelkreis-Einlaufdüse,- 350mm lange Rohrstrecke(∅32mm) mit integrierter Drosselklappe,- 2 Übergangsstücke (∅ 106mmà ∅ 42mm),- 2 x 1m Rohrstrecke,- reflexionsarmer Abschluß,- Hubertsonde(Wandschlitzsonde zur Reduzierung von turbulenten,

Druckschwankungen), siehe Bild 3,- 1 x 2m Rohrstrecke mit Wandanbohrungen,- Verbindungsflansche für den Ventilator und den Staubsauger, siehe Bild 4.

Bild 3: Die Hubertsonde, vgl. [6].

a) b)

Bild 4: Flanschanschluß am Prüfstanda) Staubsauger am Kanalprüfstand,b) Ventilator am Kanalprüfstand.


Die Hubertsonde

Die Hubertsonde dient dazu, die turbulenten Druckschwankungen gegenüber den

akustischen Druckschwankungen zu reduzieren. Im folgenden wird nach Brüel &

Kjaer [3] der physikalische Hintergrund eines Turbulenzschirmes beschrieben, der

die gleiche Funktion hat wie die Hubertsonde. Die Hubertsonde bietet im Gegensatz

zum Turbulenzschirm den Vorteil der leichten Zugänglichkeit des Mikrofons, wodurch

ein Kalibrieren der Meßkette ohne Öffnung des Kanals möglich ist. Die Hubertsonde

kann zwischen turbulenten Druckänderungen, die sich mit niedriger Geschwindigkeit

ausbreiten, und Schalldruckänderungen mit sehr viel höherer

Ausbreitungsgeschwindigkeit unterscheiden. An verschiedenen Stellen des Schlitzes

kommt es zu Druckschwankungen, so daß der Druck an der Mikrofonmembran aus

der Überlagerung aller Druckwellen resultiert. Falls es sich bei den Druckänderungen

um Schallwellen handelt, werden sich die verschiedenen Druckwellen addieren und

an der Mikrofonmembran einen hohen Schalldruck aufbauen, da die

Ausbreitungsgeschwindigkeit für Schall innerhalb und außerhalb der Sonde gleich

sind. Werden die Druckschwankungen jedoch durch Turbulenzen auf der Außenseite

des Rohres verursacht, werden sich die Druckwellen druckabbauend addieren, weil

die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Rohr sehr viel größer ist als die

Ausbreitungsgeschwindigkeit der Turbulenz außerhalb des Rohrs. Deshalb wird nur

ein niedriger Druck auf die Mikrofonmembran wirken. Die Schlitzbreite und das

Dämpfungsmaterial steuern den Strömungswiderstand des Schlitzes und dadurch

die Geräuschunterdrückung des Schirms.

Bei der Schallausbreitung in einem Rohr ist der Schalldruck ab einer bestimmten

Grenzfrequenz (Cut-On-Frequenz) über den Rohrquerschnitt nicht mehr konstant.

Der Schalldruck breitet sich dann als nicht ebene Welle im Rohr aus. Die

Schwingungsformen werden als höhere Moden oder Rohrmoden bezeichnet. In

Rohrachsrichtung breiten sich die Schallwellen dann wendelförmig aus. Gemäß [6]

sind Korrekturen für Wandschlitzsonden vorgesehen ähnlich wie bei dem

Turbulenzschirm gemäß DIN EN 25136 [8], die hier allerdings aufgrund der hohen

Cut-On-Frequenz nicht verwendet werden brauchen.


Die Cut-On-Frequenz läßt sich berechnen aus:

mit: 1,844118=Besselkoeffizient

R=0,021m ; a=340m/s ;

2Ma1aR2

84118,1cof −⋅⋅

⋅π⋅=

Hz4680

2

sm

340

sm

401

sm

340m021,02

84118,1co

f ≈

−⋅⋅⋅π⋅

=

ac

Ma =


2.1 Meßkette

In Bild 5 ist die schematische Darstellung der verschiedenen Meßketten zu sehen.

Die zu bestimmenden Größen sind

- der statische Unterdruck an der Einlaufdüse,

- der statische Unterdruck am Eintritt,

- der Schalldruckpegel im saugseitigen Kanal,

- der Schalldruckpegel im Freifeld,

- die Drehzahl,

- die elektrische Leistung,

- die Spannung und die Stromstärke.

Der statische Unterdruck an der Einlaufdüse und am Eintritt ist mittels zwei

Digitalmanometern des Fabrikats MECOTEC DP200 bestimmt worden. Die

Schalldruckpegel sind mit ½ Zoll Mikrofonen Typ 4133 von Brüel &Kjaer gemessen

worden. Das im Kanal benutzte Mikrofon hat die Seriennummer 557793 und das

im Freifeld benutzte Mikrofon die Seriennummer 1550650. Die Mikrofone im

Kanal und im Freifeld sind an die Vorverstärker von Brüel& Kjaer (Kanal:Type

2619no918070, Freifeld: Type 2619no561499) angeschlossen worden die über ein

Mikrofonspeisegerät (Type 2807) mit den Eingangskanälen von HP-VXI-Workstation

verbunden worden sind. Die Mikrofonmeßdaten werden als Zeitdaten auf der

Workstation gespeichert und mit dem Prüfstand Akustik System (PAK) der Firma

Müller BBM Vibro Akustik Systeme GmbH weiter verarbeitet. Die spektral ermittelten

Daten sind unter Verwendung des Hanning-Windows 100 mal arithmetisch gemittelt

worden. Das Mikrofon im Kanal ist in eine Hubertsonde gesteckt worden. Das

Mikrofon im Freifeld befindet sich an einem Stativ, das in einem Abstand von

1m und einem Winkel von 45° zum Ventilatordruckstutzen aufgestellt worden ist. Die

Drehzahl des Ventilators ist mittels eines Digitaltachometers von Shimpo (DT- 201)

bestimmt worden. Die Drehzahl beim vollständig montierten Staubsauger ist

mittels der Blattfolgefrequenzen aus den Schalldruckspektren bestimmt worden.

Die Drehzahl ist mit einem Spannungsumrichter von Philips (Type:

242253007511) variiert worden. Die Spannung, die Stromstärke und die elektrische

Leistung sind mittels dem Effektiv-Voltmeter von Gossen abgelesen worden.


Kapitel 3: Maßnahmen zur Lärmminderung 21

3 Maßnahmen zur Lärmminderung

Motordeckel

Nach Bild 6 gibt es für den zu untersuchenden Ventilator drei verschiedene Motor-

deckel zur Auswahl, die als Lagergehäuse und Verkleidung des Motors und wahr-

scheinlich gleichzeitig auch für eine optimale Stromführung des aus dem Laufrad

strömenden Fluids dienen sollen. Wie nach Bild 6 zu erkennen, unterscheiden sich

die Deckel nur in ihrer Geometrie, die vermutlich Ergebnis verschiedener

numerischer Strömungsberechnungen ist.

MD1 MD2 MD3

a) b) c)

Bild 6: Motordeckel:

a) Motordeckel MD1- mit acht Statorschaufeln,

b) Motordeckel MD2- mit vier Statorschaufeln,

c) Motordeckel MD3- mit vier Statorschaufeln und gestutzten Eckkanten.

Für jeden Motordeckel sind Ventilatorkennlinien aufgenommen worden, um zu er-

mitteln, welcher Deckel für den Ventilator der am besten geeigneteste ist. Bei den

Messungen des Ventilators am Prüfstand trat ein Lagerproblem auf, weil das Lager

in seinem Sitz (Motordeckel) nicht fixiert ist und damit die Lageraußenschale sich


mit der Motorwelle dreht, was zum Lagerschaden bzw. zu hoher Geräusch-

entwicklung führt. Dieses Problem trat aber bei eingebautem Zustand im

Staubsauger nicht auf, weil der Motor im Staubsauger vertikal eingesetzt wird. Dies

führt dazu, daß das Gewicht des Motors das Lager gegen den Motordeckel drückt

und damit die Außenschale des Lagers sich nicht mehr dreht. Gemäß der Angaben

des Lagerherstellers SKF sind die Lager für eine maximale Drehzahl von 25000

Umdrehungen pro Minute geeignet. Bei Nullförderung läuft der Ventilator aber

ungefähr mit 27000 U/min.


Ventilatordeckel

In Bild 7 ist der ursprüngliche und der modifizierte Ventilatordeckel zu sehen, die im

folgenden mit VD1 für den ursprünglichen und VD2 für den modifizierten benannt

werden.

Die Überlegung die Austrittsöffnungen des VD1 zu vergrößern, lag darin, die

druckseitige Drosselung unmittelbar nach dem Laufradaustritt zu vermeiden. In

der schematischen Darstellung, Bild 8a-b, sieht man, daß bei dem ur-

sprünglichen Deckel das ausströmende Fluid senkrecht gegen die Deckelwand

prallt und dann vermutlich mit einiger Verzögerung aus dem Deckel heraustritt.

Die Austrittsfläche von VD1 beträgt AVD1= 0,002343m² und die Austrittsfläche des

VD2 AVD2=0,0126m².

VD1 VD2

Bild 7: Originaldeckel VD1(links), modifiziertes Deckel(rechts).


a) b)

Bild 8: Schematische Darstellung der Strömungsablenkung unmittelbar nach

Laufradaustritt.

a) VD1,

b) VD2 .


Gitter vor dem Radeinlauf

In Bild 9a-b ist das Originalgitter des Staubsaugers aus Kunststoff und das

Drahtgitter als Vergleichsobjekt zu sehen. Das Gitter soll hier als Haltevorrichtung

für den Filter vor dem Einlauf des Ventilators dienen. Wie in Bild 9c zu sehen, ist

das Kunststoffgitter vom Gehäuse getrennt und durch das Drahtgitter ersetzt

worden. Das ursprüngliche Gitter hat eine größere Widerstandsfläche als das

Drahtgitter, was folglich zu einem Druckverlust führt.

a) b) c)

Bild 9: Gitter:

a) Originalgitter,

b) Drahtgitter,

c) Drahtgitter am Ventilatoreintritt .


Einlaufdüse

Für eine bessere Luftzufuhr unmittelbar in das Laufrad des Ventilators ist aus Blech

eine selbstgebastelte Einlaufdüse, siehe Bild 10, montiert worden. In Bild 11 sind die

ungefähren Abmessungen der Einlaufdüse dargestellt.

Bild 10: Einlaufdüse mit Gitter und Schaumstoff.

Bild 11: Einlaufdüse mit ungefähren Abmessungen.

Kapitel 4: Meßergebnisse 27

4 Meßergebnisse

4.1 Untersuchung verschiedener Ventilatoren am Kanalprüfstand

Im folgenden werden die im Abschnitt 3 beschriebenen Motordeckel mit ihren aero-

dynamischen und akustischen Kennlinien verglichen. Für die Bestimmung der

spezifischen Schalleistung im Freifeld (druckseitig) ist eine Halbkugel als Hüllfläche

angenommen worden, dessen Fläche AFF=6,28m² beträgt.

Für die Motordeckel sind folgende Abkürzungen benutzt worden:

MD1: Motordeckel mit acht Statorschaufeln,

MD2: Motordeckel mit vier Statorschaufeln,

MD3: Motordeckel mit vier Stotorschaufeln und abgeschnittenen Ecken.

Alle Messungen sind mit dem gleichen Ventilatordeckel und mit einer konstanten

Drehzahl von 24000 U/min durchgeführt worden. Es wurde nur diese eine Drehzahl

ausgewählt, da diese der Drehzahl des kommerziellen Staubsaugers ohne

Frequenzumrichter (Drehzahlsteuerung) entspricht. Der Staubsauger ohne

Drehzahlsteuerung kann die Drehzahl bei extremer Drosselung allerdings nicht

mehr auf dem Wert von 24000 U/min halten, solche Betriebspunkte sind hier

zunächst nicht weiter untersucht worden.

In Bild 12 ist die Druckzahl ψ fa, der Wirkungsgrad η und die spezifische

Schalleistung Lws über die Durchflußzahl ϕ bei einer Drehzahl von 24000

U/min aufgetragen. Die Kurven der Motordeckel MD2 und MD3 liegen bei

den aerodynamischen Kennlinien fast übereinander, wobei bei zunehmender

Drosselung die ψ fa- und η-Werte von MD1 gegenüber MD2 und MD3 größer

werden. Der Optimalpunkt dieser Kurven liegt bei ϕ =0,015. Bei der akustischen

Kennlinie ist zu sehen, daß MD3 im Optimalpunkt eine um etwa 1,5dB höhere

spezifische Schalleistung Lws gegenüber MD1 und MD2 hat. Die größte

Differenz der spezifischen Schalleistung von MD3 und MD2 liegt einmal


links vom Optimalpunkt bei ϕ = 0,0104 und rechts vom Optimalpunkt bei ϕ =

0,0208 mit ungefähr 2,7dB. MD1 hat im Optimalpunkt ungefähr die

spezifischen Schalleistung wie MD2. Bei ϕ = 0,0104 liegt MD1 um 2dB niedriger

als MD3 und bei ϕ = 0,0208 um 1,8dB niedriger. Der Ventilator erreicht mit dem

Motordeckel mit acht Statorschaufeln im Optimalpunkt einen höheren

Wirkungsgrad und eine größere Druckzahl als mit den anderen Motordeckeln.

Beim akustischen Vergleich ist MD1 im Optimalpunkt um 0,2dB schlechter als

MD2, der die niedrigste spezifische Schalleistung hat. Aber aufgrund der

Meßungenauigkeit, kann man bei so geringen Unterschieden jedoch nicht von

einer Lärmreduktion sprechen. Die Meßdaten werden im folgenden detailliert

zusammengefaßt und dokumentiert.



Betriebspunkt beim Optimum

Freifeld Kanal

ϕ ψfa η Lp Lp-A Lws Lws-A Lp Lp-A Lws Lws-A

[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]

MD1 0,015 0,605 0,33 89,6 90,1 31,6 32,1 124,3 122,8 29,7 28,2

MD2 0,015 0,587 0,32 88,9 89,6 31,3 32 121,3 120,7 27,2 26,5

MD3 0,015 0,585 0,32 90,6 91,3 33 33,7 121,8 121 27,7 26,9

Tabelle 1: Aerodynamische und akustische Meßwerte beim Optimalpunkt gleicher

Lieferzahl und konstanter Drehzahl von 24000 U/min.

In Tabelle 1 sind die aerodynamischen und akustischen Kenngrößen des Ventilators

mit den Motordeckel MD1, MD2 und MD3 bei ihren Optimalpunkten aufgetragen.

Diese Werte sind bei einer Drehzahl von 24000 U/min, einer Lieferzahl von ϕ= 0,015

und bei der gleichen Drosselgeometrie von 50°(dies entspricht eine Verkleinerung

des Rohrquerschnittes um ungefähr 55%) gemessen worden. Bei diesem Betriebs-

punkt hat der Ventilator mit MD1 einen Wirkungsgrad von 33%, der um 1%

höher liegt als der von MD1 und MD2. Die Druckzahl von MD1 ist um ∆ψ fa=0,018

größer als die von MD2 und um ∆ψ fa=0,02 größer als MD3. Diese

Differenzwerte entsprechen ungefähr 3,2% der Gesamtdruckerhöhung bei

∆pfa=10500Pa. Diese Werte zeigen, daß der Ventilator mit MD1 aerodynamisch

besser ist als mit MD2 und mit MD3. Bei den im Freifeld gemessenen

Schalldruckpegeln ist der Ventilator mit MD2 im Vergleich zu MD1 um 0,7dB

und zu MD3 um 1,7dB leiser. Bei den im Kanal gemessenen Schalldruckpegel

ist der Ventilator mit MD2 gegenüber zu MD1 um 2,9dB und zu MD3 um0,4dB

leiser. Urteilt man gemäß dem spezifischen Schalleistungspegel im Freifeld, ist der

Ventilator mit MD2 gegenüber MD1 um 0,3dB und MD3 um 1,7dB leiser. Im Kanal ist

der Ventilator mit MD2 gegenüber MD1 um 2,5dB und gegenüber MD3 um 0,5dB

leiser.


In den Bildern 13a-c sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Kanal für

die entsprechenden Motordeckel zu sehen. In Bild 13a hat MD1 zwischen

200Hz und 1400Hz einen deutlich höheren Pegel als MD1. Die erste

Blattfolgefrequenz (3600Hz) tritt nur bei MD1 auf, wobei für MD2 und MD3 nur die

vierte Ordnung der Drehzahl stark in Erscheinung tritt. Bei 4600Hz sieht man

mehr oder weniger deutlich die Cut- On-Frequenz der saugseitigen Rohrstrecke.

Die Spektren von MD2 und MD3 sind praktisch identisch.

In den Bildern 14a-c sind die Vergleiche der Schalldruckpegel für die Motordeckel

im Freifeld dargestellt. In Bild 14a liegt der Pegel von MD1 zwischen 400Hz

und 2400Hz ungefähr 3 - 4dB höher als der Pegel von MD2. Wie im Kanal sind

auch hier die Spektren von MD2 und MD3 praktisch identisch. Folglich sind

die Verläufe der Spektren in Bild 14b ähnlich wie in Bild 14a.

.

In den Bildern 15 und 16 sind die Vergleiche der A-bewerteten Schalldruckpegel

zu sehen, die im Vergleich zu den linearen Schalldruckpegeln keine

bemerkenswerten Unterschiede zeigen.






Betriebspunkt beim ungedrosselten Zustand

Freifeld Kanalϕ ψfa η Lp Lp-A Lws Lws-A Lp Lp-A Lws Lws-A

[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]MD1 0,022 0,296 0,24 91,6 92,2 38,1 38,7 121,5 118,3 31,4 28,2MD2 0,022 0,298 0,24 90,5 91,2 37 37,7 119,9 117,9 29,9 27,9MD3 0,022 0,296 0,23 92,2 93,1 38,8 39,7 120,6 117,9 30,7 28

Tabelle 2: Aerodynamische und akustische Meßwerte beim ungedrosselten Zustand.

In Tabelle 2 sind die aerodynamischen und akustischen Kenngrößen des Ventilators

mit den Motordeckel MD1, MD2 und MD3 im ungedrosselten Zustand aufgetragen.

Die Messungen erfolgten bei einer Drehzahl von 25000U/min, dies ergab für die drei

Konfigurationen eine Lieferzahl von ϕ=0,022. Aerodynamisch betrachtet ist hier MD2

mit einem Wirkungsgrad von 24 % und einer Druckzahl von ψ fa =0,298 der bessere

Motordeckel. Bei einer Gesamtdruckerhöhung von ∆pfa=5117Pa entspricht der

Differenzwert ∆ψfa=0,002 ungefähr 34Pa, was 0,6 % der Gesamtdruckerhöhung

ausmacht. Folglich kann man hier nicht von einer aerodynamischen Verbesserung

sprechen. Auch beim Schalldruckpegel weist MD2 bessere Werte auf. Mit 1,1dB ist

er gegenüber MD1 und mit 1,7dB gegenüber MD3 leiser. Im Freifeld ist MD2 dann

beim spezifischen Schalleistungspegel gegenüber MD1 um 1,1dB und gegenüber

MD3 um 1,8dB leiser. Im Kanal ist MD2 im Vergleich zu MD1 um 0,5dB und zu MD3

um 0,8dB leiser.


In Bild 17a- c sind die Vergleiche der Schalldruckpegel des Ventilators mit MD1, MD2

und MD3 im Kanal zu sehen. Bei allen drei Vergleichen sind die Spektren identisch.

Die erste Blattfolgefrequenz (3600Hz) tritt bei allen drei Motordeckeln auf. Bei MD1

ist hier besonders die achte Ordnung (3200Hz) der Drehzahl stark ausgeprägt.

Wobei sich bei MD2 und MD3 die vierte Ordnung (1600Hz) der Drehzahl hervorhebt.

Dies hat vermutlich damit zu tun, daß die Motordeckel MD2 und MD3 vier

Statorschaufeln und MD1 acht Statorschaufeln hat.

In Bild 18a-c sind die Vergleiche der Schalldruckpegel im Freifeld zu sehen. Die

Spektren von MD1 und MD2 unterscheiden sich kaum voneinander. Nach Bild 18b

ist der Pegel von MD3 zwischen 600Hz und 4200Hz ungefähr um 2dB höher als der

von MD1.




Betriebspunkt bei einer Drosselung von 78%


[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]MD1 0,003 0,837 0,18 95,2 96 40,9 41,7 130,9 129 40 38,1MD2 0,003 0,818 0,17 95,3 96,2 41,2 42,1 125,3 125 34,7 34,4MD3 0,003 0,817 0,17 96,4 97,4 42,4 43,4 125,4 125,3 34,8 34,7

Tabelle 3: Aerodynamische und akustische Meßwerte bei 78% Drosselung.

In Tabelle 3 sind die aerodynamischen und die akustischen Meßwerte des

Ventilators mit MD1, MD2 und MD3 bei einer Drosselgeometrie von 70° (dies

entspricht eine Verkleinerung des Rohrquerschnittes um etwa 78%) aufgetragen. Die

Messungen erfolgten bei einer Drehzahl von 24000U/min und einer Lieferzahl von

ϕ=0,003. Aerodynamisch ist MD1 mit einer ungefähren Druckzahldifferenz von

∆ψfa=0,019 und einem Wirkungsgradunterschied von einem Prozent gegenüber MD2

und MD3 besser. Der Unterschied von ∆ψfa=0,019 entspricht bei einer

Gesamtdruckerhöhung von ∆pfa=14559Pa ungefähr 326Pa, die etwa 2,3% der

Gesamtdruckerhöhung ausmacht. Auch beim Schalldruckpegel und bei der

spezifischen Schalleistung im Freifeld sind keine großen Unterschiede zu erkennen.

Bei der Schalleistung ist MD1 um 0,3dB gegenüber MD2 und um 1,5dB gegenüber

MD3 leiser. Im Kanal ist der Unterschied beim Schalldruckpegel zwischen MD1 und

den beiden anderen Motordeckel, die fast die identischen Werte haben, sehr groß.

MD1 ist gegenüber MD2 und MD3 um etwa 5,5dB lauter. Und, die aerodynamischen

Werte mit einbezogen, ist der Unterschied beim spezifischen Schalleistungspegel

etwa 6,3dB.

In den Bildern 19a-c sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Kanal

dargestellt. Nach Bild 19c sind zwischen den Schalldruckpegeln von MD2 und MD3

keine bemerkenswerten Unterschiede zu sehen, die in Tabelle 3 zusammengefaßten

Meßwerte bestätigen dies. Bei 1600Hz tritt bei beiden Motordeckeln die vierte

Ordnung der Drehzahl stark in Erscheinung. Der Peak bei 1800Hz ist vermutlich

Ursache einer Resonanzfrequenz innerhalb des Lüfters.


In den Bildern 19a und 19b ist zu sehen, daß sich bei MD1 zwischen 500Hz und

1000Hz ein Berg bildet, der einen maximalen Differenzpegel zu MD2 und MD3 von

ungefähr 15dB erreicht.

In Bild 20a-c sind die Vergleiche der Schalldruckpegel im Freifeld zu sehen. Auch

hier sind die Spektren von MD2 und MD3 identisch. Die vierte Ordnung der Drehzahl

und die vermutliche Resonanzfrequenz (1800Hz) die im Kanal stark ausgeprägt

waren, treten auch im Freifeld stark in Erscheinung. In den Bildern 20b und 20c wird

MD1 mit MD2 und MD3 verglichen. Zwischen ungefähr 400Hz und 2000 Hz liegt der

Pegel von MD1 gegenüber MD2 und MD3 breitbandig um etwa 5dB höher. Dies wird

in der Art interpretiert, daß die Strömungsverhältnisse mit MD1 in Hinsicht auf

breitbandige Strömungsverhältnisse schlechter sind als bei MD2 und MD3. Bei

starker Drosselung zeigt MD1 jedoch eine breitbandige Pegelerhöhung, die von einer

Fehlanströmung verursacht sein könnte.




Zusammenfassung

Hier wurde nur der Ventilator an einem eigens aufgebauten Kanalprüfstand für drei

verschiedene Motordeckel an drei verschiedenen Betriebspunkten aerodynamisch

und akustisch untersucht. Es sollte herausgefunden werden, welcher der drei

Motordeckel am besten für den Ventilator geeignet ist. Im Freifeld(druckseitig) ist der

Ventilator mit MD1 und MD2 leiser als mit MD3. Sowohl beim Schalldruckpegel als

auch bei der spezifischen Schalleistung im Kanal(saugseitig) dagegen ist der

Ventilator mit MD2 und MD3 leiser als mit MD1. Die Unterschiede der verschiedenen

Motordeckel sind insgesamt recht gering, dennoch erscheint MD1 als der günstigste

Motordeckel, da die aerodynamische Leistung deutlich am besten ist.


4.2 Untersuchung der Motordeckel im Staubsauger

Gemäß Abschnitt 4.1 ist der Motordeckel MD1 mit den acht Statorschaufeln der

beste der untersuchten Motordeckel beim Kanalversuch.

Um zu ermitteln, wie sich der Ventilator mit den unterschiedlichen Motordeckeln im

eingebauten Zustand verhält, wurden folgende Meßreihen durchgeführt:

1. Vergleich der Motordeckel

a) Staubsauger mit dem Motordeckel MD1(acht Statorschaufel),

b) Staubsauger mit dem Motordeckel MD2(4 Statorschaufel),

c) Staubsauger mit dem Motordeckel MD3(4 Statorschaufel und abgeschnitteneEcken).

Bei den Messungen sind nur die Motordeckel ausgetauscht worden, ansonsten istam Staubsauger nichts verändert worden.




[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]MD1 0,006 0,602 0,175 87,3 87,2 31,7 31,6 124,1 118,7 31,6 26,2MD2 0,006 0,589 0,162 84,1 83,1 28,8 27,8 123,9 118,3 31,7 26,1MD3 0,006 0,582 0,165 85 84,2 29,8 29 123,6 118,1 31,6 26,1

Tabelle 4 : Aerodynamische und akustische Meßwerte beim Optimalpunkt, gleicherLieferzahl und konstanter Drehzahl von 26250 U/min.

In Tabelle 4 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des Staubsaugers

mit MD1, MD2 und MD3 bei ihren Optimalpunkten aufgetragen. Die Meßwerte sind

bei einer Drehzahl von 26250 U/min, einer Lieferzahl von ϕ=0,006 und einer

Drosselgeometrie von 30°(dies entspricht einer Verkleinerung des Rohrquerschnittes

um etwa 33%) ermittelt worden.

Nach Tabelle 4 hat der Staubsauger mit MD1 gegenüber MD2 und MD3 einen

Wirkungsgrad der um ungefähr 1% zu MD2 und um ungefähr 1,3% zu MD3 besser

ist. Bei der Druckzahl ist MD1 mit einer maximalen Druckerhöhung von

∆pfa=12371Pa um ungefähr 270Pa besser als MD2 und MD3. Das sind ungefähr

2,2% der Gesamtdruckerhöhung. Bei solchen minimalen Unterschieden kann man

sagen, daß die Motordeckel sich aerodynamisch in etwa gleich verhalten, MD1 aber

am günstigsten abschneidet. Beim Schalldruckpegel im Freifeld ist der Staubsauger

mit MD1 gegenüber MD2 um 3,2dB und gegenüber MD3 um 2,3dB lauter.

Zusammen mit den aerodynamischen Werten ist der Staubsauger mit MD1 beim

spezifischen Schalleistungspegel gegenüber MD2 um 2,9dB und gegenüber MD3

um 1,9dB lauter. Im Kanal dagegen ist der Staubsauger mit allen drei Motordeckeln

fast gleich laut.

Zusammenfassend kann man sagen, daß sich der Staubsauger mit MD1 bei den

aerodynamischen Meßdaten gegenüber MD2 und MD3 minimal besser verhält aber

akustisch im Freifeld schlechter ist. Im Kanal sind alle drei Motordeckel gleich laut.


In den Bildern 21a-c sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Kanal zu sehen.

Es sind keine Unterschiede bei den Schalldruckspektren zu erkennen.

In Bild 22a-c sind die Vergleiche der Schalldruckpegel im Freifeld aufgetragen. Wie

in der Tabelle 4 bestätigt, ist in den Bildern 22a und 22b zu sehen, daß der

Schalldruckpegel des Staubsaugers mit MD1 ungefähr zwischen 450Hz und 2000Hz

um etwa 3dB höher liegt als bei MD2 und MD3






[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]MD1 0,003 0,71 0,14 89 89 33,7 33,7 118,2 113,6 26 21,4MD2 0,003 0,693 0,12 88,4 86,7 33,5 31,8 117,5 113 25,8 21,3MD3 0,003 0,694 0,12 86,5 86,6 31,6 31,7 116,8 112,6 25 20,8

Tabelle 5: Aerodynamische und akustische Meßwerte bei einer Drosselung von 22%.


mit MD1, MD2 und MD3 bei einer Drehzahl von 27360 U/min, einer Lieferzahl von

ϕ=0,003 und einer Drosselung von 22% ermittelt worden. Der Staubsauger mit MD1

hat gegenüber MD2 und MD3 einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere

Druckzahl, die um etwa ∆ψfa=0,017 größer ist. Diese Differenz von ∆ψfa=0,017

entspricht ungefähr 2,4% der Gesamtdruckerhöhung bei ∆pfa=15750Pa. Im Freifeld

hat der Staubsauger mit MD3 den niedrigsten Schalldruckpegel. Auch beim

spezifischen Schalleistungspegel hat der Staubsauger mit MD3 den niedrigsten

Pegel, der mit 1,9dB leiser als MD2 und um 2,1dB leiser als MD1 ist. Im Kanal ist der

Staubsauger mit MD3 beim Schalldruckpegel um 0,7dB leiser als MD2 und um 1,4dB

leiser als MD1 und beim spezifischen Schalleistungspegel ist MD3 um 1dB leiser als

MD1 und um 0,8dB leiser als MD2.

In den Bildern 23a-c sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Kanal zu sehen.

Beim Vergleich der Schalldruckspektren von MD1 mit MD2 und MD3 ist in den

Bildern 23a und 23b zu sehen, daß MD1 ungefähr zwischen 600Hz und 1400Hz

einen höheren Pegel hat als MD2 und MD3. In Bild 23c ist zwischen den Pegeln von

MD2 und MD3 kein Unterschied zu sehen.

In den Bildern 24a-c sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im Freifeld zu

sehen. Unterhalb von 2000Hz zeigt MD1 wieder eine breitbandige Pegelanhebung

von bis zu 5dB, die von einer Fehlanströmung herrühren könnte.




4.3 Untersuchung der Ventilatordeckel im Originalstaubsauger

Im folgenden werden die im Kapitel 3 beschriebenen Ventilatordeckel auf ihre

aerodynamischen und akustischen Kenngrößen untersucht. Bei dem

Originalstaubsauger wurden nur die in Bild 25 zu sehenden Ventilatordeckel

ausgetauscht. Die Meßwerte in den Tabellen 6,7 und 8 wurden bei einer konstanten

Drehzahl von 25200U/min ermittelt. In den Tabellen 9,10 und 11 sind die Meßwerte

bei solchen Betriebspunkten ermittelt worden, die ungefähr den eigentlichen

Betriebszuständen des kommerziellen Staubsaugers entsprechen. Für die

Untersuchung wurden drei Betriebspunkte ausgewählt, die sich in der Nähe des

Optimalpunktes des kommerziellen Staubsaugers befinden.

VD1 VD2

a) b)

Bild 25: Ventilatordeckel

a) Originaldeckel-VD1,

b) modifiziertes Deckel-VD2.


Betriebspunkt bei ϕϕ = 0,00988

Freifeld Kanalψfa η Lp Lp-A Lws Lws-A Lp Lp-A Lws Lws-A

[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]VD1 0,3321 0,12 84,1 83,5 32,4 31,8 129,3 120,1 40,8 31,6VD2 0,4195 0,16 80 78,9 26,3 25,2 129,1 120,6 38,5 30

Tabelle 6: Aerodynamische und akustische Meßwerte des Staubsaugers mit VD1

und VD2 bei n=25200 U/min und ϕ= 0,00988.

In Tabelle 6 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des

Staubsaugers mit VD1 und VD2 bei einer Drehzahl von 25200 U/min und einer

Lieferzahl von ϕ=0,00988 aufgetragen. Der Staubsauger mit VD2 hat eine um

∆ψfa=0,0874 höhere Druckzahl. Das entspricht bei einer Gesamtdruckerhöhung von

∆pfa=6263Pa für VD1 eine Erhöhung um 26,6% .Der Wirkungsgrad von VD2 ist um

4% höher als VD1. Beim Schalldruckpegel im Freifeld ist der Staubsauger mit VD2

um 4,1dB leiser als mit VD1. Folglich ist die spezifische Schalleistung im Freifeld von

VD2 um 6,1dB leiser VD1. Beim Schalldruckpegel im Kanal dagegen ist VD2 nur um

0,2dB besser als VD1. Aufgrund der besseren aerodynamischen Meßwerten ist VD2

bei der spezifischen Schalleistung im Kanal um 2,3dB leiser als VD1.

In Bild 26a ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Kanal zu sehen. Bis 1400Hz

sind die Pegeln von VD1 und VD2 gleich groß. Ab 1400Hz steigt der Pegel von VD2

gegenüber VD1.

In Bild 27a ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Freifeld zu sehen. Zwischen

etwa 200Hz und 3200Hz ist der Pegel von VD1 deutlich größer als der Pegel von

VD2.




Betriebspunkt bei ϕϕ =0,00879


[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]VD1 0,4063 0,14 83,3 82,9 30,4 30 128,2 118,7 38,4 28,9VD2 0,4714 0,17 79,8 78,6 25,6 24,4 128,7 119,8 37,6 28,7


und VD2 bei n=25200 U/min und ϕ= 0,00879.


mit VD1 und VD2 bei einer Drehzahl von 25200 U/min und bei einer Lieferzahl von

ϕ= 0,00879 aufgetragen. Bei diesem Betriebspunkt hat der Staubsauger mit VD2

einen um 3% besseren Wirkungsgrad und eine um ∆ψfa=0,0651größere Druckzahl.

Die Differenz der Druckzahlen von VD1 und VD2 entspricht ungefähr 1239Pa bei

einer maximalen Druckerhöhung von ∆pfa=7665Pa. Das sind ungefähr 16% der

Gesamtdruckerhöhung von VD1. Der Schalldruckpegel im Freifeld von VD2 ist um

3,5dB kleiner als der Schalldruckpegel von VD1. Zusammen mit den

aerodynamischen Meßwerten ist dann der Staubsauger mit VD2 nach der

spezifischen Schalleistung im Freifeld um 4,8dB leiser als mit dem Originaldeckel

VD2. Im Kanal dagegen ist der Staubsauger mit VD2 nach dem Schalldruckpegel

sogar um 0,5dB lauter als mit VD1. Aufgrund der besseren aerodynamischen

Meßwerte ist VD2 nach der spezifischen Schalleistung um 0,8dB leiser als VD1.

In Bild 26b ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Kanal zu sehen. Wie in Bild 27a

sind auch hier die Pegel fast identisch. Erst ab ungefähr 2000Hz steigt der Pegel

von VD2 gegenüber VD1.

In Bild 27b ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Freifeld zu sehen. Wie in Bild

27a ist auch hier der Schalldruckpegel von VD1 zwischen etwa 200Hz und 3200Hz

deutlich höher als der Schalldruckpegel von VD2.


Betriebspunkt bei ϕϕ =0,00615


[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]VD1 0,5746 0,16 83,4 83,3 29 28,9 123,8 117,2 32,6 26VD2 0,5979 0,17 80 78,9 25,3 24,2 123,4 117,4 31,8 25,8


und VD2 bei n=25200 U/min und ϕ=0,00615.


mit VD1 und VD2 bei einer Drehzahl von 25200 U/min und einer Lieferzahl von

ϕ=0,00615 ermittelt worden. Bei diesem Betriebspunkt sind die Unterschiede bei den

aerodynamischen Größen nicht so groß wie in den vorherigen Betriebspunkten. Die

Druckzahl von VD2 ist hier nur um 0,0233 größer als die Druckzahl von VD1. Das

entspricht ungefähr 4,1% der Gesamtdruckerhöhung des Staubsaugers mit VD1.

Und auch der Wirkungsgrad von VD2 ist jetzt nur noch um 1% größer als der

Wirkungsgrad von VD1. Der Schalldruckpegel im Freifeld von VD2 ist um 3,4dB

kleiner als VD1. Insgesamt ist der Staubsauger mit VD2 im Freifeld nach der

spezifischen Schalleistung um 3,7dB leiser als mit VD1. Im Kanal allerdings sind wie

in den vorherigen Betriebspunkten kaum Unterschiede zwischen VD1 und VD2 zu

erkennen. Der Staubsauger mit VD2 ist im Kanal nach der spezifischen Schalleistung

um 0,8dB leiser als mit VD1.

In Bild 26c ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Kanal zu sehen. Die Spektren

von VD1 und VD2 sind hier identisch.

In Bild 27c ist der Vergleich der Schalldruckpegel im Freifeld zu sehen. Im Vergleich

zu den Bildern 27a und 27b scheint der Pegel von VD1 zwischen 200Hz und 1000Hz

kleiner geworden zu sein. Zwischen 1000Hz und 3200Hz liegt der Pegel von VD1

deutlich höher als der Pegel von VD2. Bei 2100Hz ist von VD1 die fünfte Ordnung

der Drehzahl vermutlich aufgrund einer Resonanz stark ausgeprägt.


Zusammenfassung

In diesem Abschnitt sind die Ergebnisse des Staubsaugers mit unterschiedlichen

Ventilatordeckeln dokumentiert worden. Die Untersuchung der beiden

Ventilatordeckel hat ergeben, daß der Staubsauger mit dem modifizierten

Ventilatordeckel bei dem ersten Betriebspunkt im Freifeld um 6,1dB, bei dem zweiten

Betriebspunkt um 4,8dB und bei dem dritten Betriebspunkt um 3,7dB leiser ist. Der

Grund, warum sich bei den Schalldruckpegel im Kanal zwischen den beiden

Ventilatordeckeln keine Unterschiede zeigen, hängt vermutlich mit der Geometrie im

Staubsaugergehäuse zusammen. Bei der Untersuchung fällt auch auf, daß bei

kleiner werdender Lieferzahl die aerodynamischen Werte des Originaldeckels näher

an die Werte des modifizierten Ventilatordeckels kommen. Das wird vermutlich damit

zusammenhängen, daß bei großem Durchfluß aufgrund des sehr kleinen Abstandes

zwischen Laufradaustritt und der Deckelwand des Originaldeckels, die Strömung mit

Verzögerung aus dem Laufrad austritt und das führt vermutlich am Laufradaustritt zu

einem erheblichem Druckabfall (siehe auch Kapitel 3,Ventilatordeckel).




mit VD1 und VD2 bei unterschiedlichen Drehzahlen und unterschiedlichen

Lieferzahlen aufgetragen. Die Messungen erfolgten bei einer konstanten

Drosselgeometrie von 45°( dies entspricht eine Verkleinerung des Rohrquerschnittes

um 50%). Außerdem wurde hier der Spannungsumrichter, mit dem die Drehzahl

variiert wird, zwischen der Stromversorgung und dem Staubsaugermotor bewußt

weggelassen, damit diese Messung dem realen Betriebszustand des kommerziellen

Staubsaugers entspricht. Die Drosselung von 50% beim Prüfstand entspricht

ungefähr der Drosselung des kommerziellen Staubsaugers beim Saugen eines

Teppichs. Dies ist in einem eigenen Versuch über einen Vergleich des statischen

Drucks festgestellt worden. Anstatt der Rohrstrecke mit der Drosselklappe wurde

dabei die in Bild 28 dargestellte Saugdüse des Staubsaugers mit der Hand gegen die

Rohrleitung gedrückt und gleichzeitig ein Teppichstück gegen die Saugdüse

gehalten, dann wurde der statische Unterdruck am Eintritt abgelesen. Nachdem die

Rohrstrecke mit der Drosselklappe wieder in den Prüfstand eingebaut war, ist der

Staubsauger mittels Drosselklappe so lange gedrosselt worden, bis der mit der

Saugdüse ermittelte statische Unterdruck erreicht worden ist. Die damit ermittelte

Stellung der Drosselklappe am Prüfstand entspricht ungefähr der Drosselung des

kommerziellen Staubsaugers bei seinem realen Betriebszustand.

Bild 28: Saugdüse des Staubsaugers, aus TEE Betriebsanleitung.


Freifeld Kanaln ϕ ψfa η Lp Lp-A Lws Lws-A Lp Lp-A Lws Lws-A

[U/min] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]VD1 25200 0,0098 0,3586 0,14 83 81,9 30,7 29,6 128,4 119,8 39,2 30,6VD2 24960 0,01041 0,3953 0,15 80,3 79,5 27,1 26,3 129,3 120,8 39,2 30,7

Tabelle 9: Aerodynamische und akustische Meßwerte bei einer Drosselung von 50%.

Nach Tabelle 9 erreicht der Staubsauger mit dem modifizierten Ventilatordeckel VD2

eine größere Lieferzahl, eine größere Druckzahl und einen besseren Wirkungsgrad

bei einer kleinerer Drehzahl gegenüber dem Staubsauger mit dem

Originalventilatordeckel VD1.Die Druckzahlerhöhung von 0,0367 entspricht 10,3%

der Gesamtdruckerhöhung von 6775Pa des Staubsaugers mit dem Originaldeckel

VD1. Beim Schalldruckpegel im Freifeld(druckseitig) ist der Staubsauger mit dem

modifizierten Ventilatordeckel um 2,7dB leiser. Zusammen mit den besseren

aerodynamischen Meßwerten ist der Staubsauger mit dem modifizierten

Ventilatordeckel VD2 nach der spezifischen Schalleistung um 3,6dB leiser. Im Kanal

(druckseitig) dagegen ist der Schalldruckpegel von VD2 sogar um 0,9dB größer als

der Schalldruckpegel von VD1. Nach der spezifischen Schalleistung sind VD1 und

VD2 gleich laut.

In Bild 29 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Kanal(saugseitig) zu sehen.

Bis ungefähr 400Hz sind beide Spektren identisch. Nach 400Hz sieht man, daß der

Spektrum von VD2 etwa um 2dB höher liegt als VD1.

In Bild 30 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Freifeld(druckseitig) zu sehen.

Bis etwa 4500Hz ist ein deutlich höherer Pegel von VD1 gegenüber VD1 zusehen.




Freifeld Kanaln ϕ ψfa η Lp Lp-A Lw Lws-A Lp Lp-A Lws Lws-A[U/min] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]

VD1 26290 0,00592 0,5823 0,16 85 84,2 29,8 29 123,6 118,1 31,6 26,1VD2 25320 0,00899 0,4719 0,169 80,2 79,4 25,8 25 128,7 120,3 37,4 29

Tabelle 10: Aerodynamische und akustische Meßwerte beim Optimalpunkt, nicht

konstante Drehzahl und ungleiche Lieferzahl.


Staubsaugers mit dem Originalventilatordeckel und mit dem modifizierten

Ventilatordeckel bei ihren Optimalpunkten aufgetragen. Auch bei diesen Meßpunkten

ist der Staubsauger direkt an die Steckdose angeschlossen werden. Der

Staubsauger mit dem Originalventilatordeckel VD1 erreicht seinen Optimalpunkt bei

einer Drosselgeometrie von 30°(dies entspricht eine Verkleinerung des

Rohrquerschnittes um etwa 33%) und mit dem modifizierten Ventilatordeckel VD2

erreicht der Staubsauger seinen Optimalpunkt bei einer Drosselung von etwa 44%.

Aufgrund der ungleichen Drosselgeometrie, ungleicher Drehzahl und ungleicher

Lieferzahl ist hier unter den unterschiedlichen Konfigurationen kein fairer Vergleich

bei den aerodynamischen Kenngrößen möglich. Nach der Tabelle 10 hat VD2

gegenüber VD1 eine kleinere Drehzahl und eine größere Lieferzahl bei kleinerer

Druckzahl. Urteilt man gemäß dem spezifischen Schalleistungspegel im

Freifeld(druckseitig), ist der Staubsauger mit dem modifizierten Ventilatordeckel VD2

um 4dB leiser als mit dem Originaldeckel. Im Kanal (saugseitig) dagegen ist der

Staubsauger mit dem Originaldeckel VD1 um 5,8dB leiser als mit dem modifizierten

Ventilatordeckel.

In den Bildern 31 und 32 sind die Vergleiche der Schalldruckspektren im

Kanal(saugseitig) und im Freifeld(druckseitig) zu sehen. Die akustischen Meßwerte

in der Tabelle 10 werden auch hier bestätigt.



4.4 Vergleiche der aerodynamischen und akustischen Meßgrößen des

Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers

In diesem Abschnitt werden die aerodynamischen und akustischen Meßgrößen des

Staubsaugers in seinem Originalzustand und des modifizierten Staubsaugers bei

verschiedenen Betriebspunkten miteinander verglichen. In Bild 33 sind die

veränderten Teile im Vergleich zu ihren Originalen zu sehen (siehe auch Kapitel 3).

Bei dem modifizierten Staubsauger ist das Kunststoffgitter mit dem Drahtgitter und

der Originalventilatordeckel VD1 mit dem modifizierten Ventilatordeckel VD2

ausgetauscht und zusätzlich ist noch in das Loch, wo sich ursprünglich das

Kunststoffgitter befand, eine Einlaufdüse eingebaut worden.

Original Modifiziert

Bild 33: Gegenüberstellung der originalen und der modifizierten Objekte.


Überprüfung des Meßverfahrens mit nur einem Mikrofon

Als einfacher Versuch einer Hüllflächenmessung ist der Schalldruckpegel im

Freifeld(saugseitig) für eine Messung exemplarisch bei vier unterschiedlichen

Mikrofonpositionen gemessen worden. Ansonsten erfolgten die Messungen für den

Schalldruckpegel nur an einer Stelle. Diese ist in Bild 34 mit Position 1 bezeichnet.

Für den an vier Positionen gemessenen unterschiedlichen Schalldruckpegel ist der

im folgenden berechnete lineare Mittelwert gebildet worden. In Bild 34 sind die

Mikrofonpositionen dargestellt. Die Mikrofonpositionen sind jeweils 1m vom

Ventilator entfernt und stehen in einem Winkel von 45° zum Ventilatordruckstutzen.

Bild 34: Mikrofonposition.

Der energetische Mittelwert läßt sich berechnen aus:

.nlg1010....1010lg10pL 10

nlp10

2Lp

101Lp

−

++=


Originalstaubsauger modifizierter StaubsaugerLp Lp

[dB] [dB]Position 1 84,1 81,7Position 2 84,3 82,4Position 3 80,3 77,7Position 4 83 80,5

Tabelle 11: Schalldruckpegel der Staubsauger bei unterschiedlichen

Mikrofonpositionen.

Für den Originalstaubsauger:

und für den modifizierten Staubsauger:

dB,pL 283=

dB,pL 980=



Staubsaugers bei konstanter Drehzahl

In den Tabellen 12-14 ist im modifizierten Staubsauger der Motordeckel MD1(acht

Statorschaufeln, siehe auch Abschnitt 5.1) eingesetzt worden.

Betriebspunkt bei n= 25200 U/min, ϕϕ =0,00988


[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]Original 0,3321 0,12 84,1 83,5 32,4 31,8 129,3 120,1 40,8 31,6modifiziert 0,4911 0,195 80 79,4 24,9 24,3 129,4 121,4 37,5 29,5

Tabelle 12: Aerodynamische und akustische Meßwerte bei einer Drehzahl von

25200 U/min und bei einer Lieferzahl von ϕ=0,00988.

In Tabelle 12 sind die aerodynamischen und die akustischen Meßwerte des

Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers bei einer Drehzahl von

25200 U/min und bei einer Lieferzahl von ϕ=0,00988 aufgetragen. Wie man sieht, hat

der modifizierte Staubsauger gegenüber seinem Originalzustand eine größere

Druckzahl und einen besseren Wirkungsgrad. Die Differenzdruckzahl von 0,159

entspricht ungefähr 48% der Gesamtdruckerhöhung des Originalstaubsaugers. Beim

Schalldruckpegel im Freifeld(druckseitig) ist der modifizierte Staubsauger um 4,1dB

leiser. Aufgrund der sehr hohen Überlegenheit bei den aerodynamischen Größen ist

gemäß dem spezifischen Schalleistungspegel im Freifeld der modifizierte

Staubsauger sogar um 7,5dB leiser als der Originalstaubsauger. Beim

Schalldruckpegel im Kanal(saugseitig) sind beide Staubsauger etwa gleich laut.

Folglich ist bei der spezifischen Schalleistung im Kanal der modifizierte Staubsauger

nur um 3,3 dB leiser.


In Bild 35 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Kanal(saugseitig) dargestellt.

Bis 400Hz ist zwischen den beiden Spektren kein Unterschied zu erkennen. Ab

400Hz erhöht sich dann der Pegel von dem modifizierten Staubsauger gegenüber

dem Pegel des Originalstaubsaugers.

In Bild 36 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Freifeld zu sehen. Hier sind,

wie in der Tabelle 12 auch bestätigt, deutlich höhere Pegel des

Originalstaubsaugers gegenüber dem Spektrum des modifizierten Staubsaugers zu

erkennen. Am deutlichsten ist die breitbandige Pegelreduktion zwischen 300Hz und

3500Hz, die vermutlich durch die verbesserte Zuströmung und die damit reduzierte

Strömungsablösung verursacht ist. Bei dem Peak der Drehzahl (420Hz) hat der

Originalstaubsauger eine erhöhte Pegeldifferenz von etwa 7dB. Die Amplituden der

ersten Blattfolgefrequenz (3780Hz) unterscheiden sich nicht wesentlich.





[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]Original 0,4063 0,14 83,3 82,9 30,4 30 128,2 118,7 38,4 28,9modifiziert 0,5410 0,195 79,9 79,2 24,5 23,8 128,6 120,6 36,3 28,3


25000 U/min und einer Lieferzahl von ϕ=0,00879.

In der Tabelle 13 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des

Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers bei einer Drehzahl von

25200 U/min und einer Lieferzahl von ϕ=0,00879 aufgetragen. Auch bei diesem

Betriebspunkt ist der Originalstaubsauger gegenüber dem modifizierten Staubsauger

sowohl bei den aerodynamischen als auch bei den akustischen Meßgrößen deutlich

unterlegen. Bei der Druckzahl beträgt der Unterschied ∆ψfa= 0,1347. Dies bedeutet

für den modifizierten Staubsauger eine um etwa 33%`ige Erhöhung der

Gesamtdruckerhöhung des Originalstaubsaugers. Der Wirkungsgrad des

modifizierten Staubsaugers ist hier um 5,5% besser als der von dem

Originalstaubsauger. Bei dem Schalldruckpegel im Freifeld (druckseitig) ist wiederum

der modifizierte Staubsauger um 3,4dB leiser. Dies ergibt dann zusammen mit den

aerodynamischen Meßwerten eine um 5,9dB leisere spezifische Schalleistung im

Freifeld des modifizierten Staubsaugers als die des Originalstaubsaugers. Im Kanal

(saugseitig) dagegen sind bei den Schalldruckpegel praktisch keine Unterschiede zu

erkennen. Aufgrund der besseren aerodynamischen Meßwerte ist der modifizierte

Staubsauger gemäß der spezifischen Schalleistung im Kanal um 2,1dB leiser.



Ungefähr von 200hz bis 1400Hz ist ein um etwa 1dB höherer Pegel beim

modifizierten Staubsauger zu erkennen.

In Bild 38 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Freifeld(druckseitig) zu sehen.

Wenn man die Bilder 36 und 38 miteinander vergleicht, erkennt man, daß die

Spektren praktisch gleich geblieben sind. In Bild 38 ist nur der Peak der

Drehzahl(420Hz) des Originalstaubsaugers um etwa 4dB gesunken und der Peak

der ersten Blattfolgefrequenz(3780Hz) des modifizierten Staubsaugers ist um etwa

6dB gesunken.





[dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]Original 0,5746 0,16 83,4 83,3 29 28,9 123,8 117,2 32,6 26modifiziert 0,6464 0,181 80,1 79,4 24,7 24 123,9 118,2 31,6 25,9


25200 U/min und einer Lieferzahl von ϕ=0,00615.

In Tabelle 14 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des modifizierten

Staubsaugers und des Originalstaubsaugers bei einer Drehzahl von 25200 U/min

und einer Lieferzahl von ϕ=0,00615 aufgetragen. Die Druckzahl des modifizierten

Staubsaugers ist hier um 0,0718 größer als die des Originalstaubsaugers. Dies ist

eine um etwa 12,6%ige Erhöhung der Gesamtdruckerhöhung des

Originalstaubsaugers. Der Wirkungsgrad des modifizierten Staubsaugers ist um

2,1% besser als vom Originalstaubsauger. Bei den Schalldruckpegeln im

Freifeld(druckseitig) ist der modifizierte Staubsauger um 3,3dB leiser. Saugseitig sind

auch hier wie in den Tabellen 12 und 13 zwischen den Schalldruckpegeln der beiden

Konfigurationen kaum Unterschiede vorhanden. Wegen der besseren

aerodynamischen Meßwerte ist der modifizierte Staubsauger gemäß der

spezifischen Schalleistung im Kanal um 1dB und im Freifeld um 4,3dB leiser

gegenüber dem Origalstaubsauger.



Hier sind keine bemerkenswerten Unterschiede zwischen den Spektren zu erkennen.

In Bild 40 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Freifeld(druckseitig) zu

sehen. Im Vergleich zu Bild 38 ist der Peak der Drehzahl (420Hz) von dem

Originalstaubsauger etwa um 4dB gestiegen, wobei der Pegel bis 1200Hz um etwa

3dB gefallen ist. In Bild 40 ist der Peak der fünften Ordnung der Drehzahl des

Originalstaubsaugers vermutlich aufgrund einer Resonanzfrequenz des Gehäuses

stark ausgeprägt. Das Spektrum des modifizierten Staubsaugers scheint sich im

Vergleich zu Bild 38 sich nicht verändert zu haben.



4.4.2 Vergleich des Originalstaubsaugers mit dem modifizierten Staubsaugerbei nicht konstanter Drehzahl

Bei den im folgenden beschriebenen Messungen ist im modifizierten Staubsauger

der Motordeckel MD3 eingesetzt worden.



[U/min] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]Original 26190 0,00592 0,5823 0,16 85 84,2 29,8 29 123,6 118,1 31,6 26,1modifiziert 25200 0,00927 0,5125 0,184 79,9 78,9 24,7 23,7 128,9 120,9 36,9 28,9

Tabelle 15: Aerodynamische und akustische Meßwerte beim Optimalpunkt.


Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers bei nicht konstant

gehaltener Drehzahl und Lieferzahl bei ihren Optimalpunkten aufgetragen. Hier ist

lediglich der Wirkungsgrad jeweils maximal. In Bild 41 sind die Wirkungsgradverläufe

der beiden Staubsauger aufgetragen. Hierbei ist zu erkennen, daß die rote Kurve des

modifizierten Staubsaugers flacher ist gegenüber der schwarzen Kurve des

Originalstaubsaugers.

Bild 41: Wirkungsgradverlauf des modifizierten und des Originalstaubsaugers.

0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,0160,040,060,080,100,120,140,160,180,20

ηOpt

ηOpt Originalstaubsauger mod. Staubsauger

η

ϕ


Der Originalstaubsauger erreicht seinen Optimalpunkt bei einer Drehzahl von

26290U/min, einer Lieferzahl von ϕ= 0,0592 und einer Druckzahl von ∆ψfa=0,5823.

Der modifizierte Staubsauger erreicht seinen Optimalpunkt bei einer Drehzahl von

25200 U/min, einer Lieferzahl von ϕ=0,00927 und einer Druckzahl von ∆ψfa=0,5125.

Aufgrund der unterschiedlichen Drehzahlen und Lieferzahlen, kann man hier keinen

fairen Vergleich machen, welcher der beiden Staubsauger aerodynamisch der

bessere ist. Aber würde man gemäß dem Wirkungsgrad urteilen, dann ist der

modifizierte Staubsauger aerodynamisch der bessere. Beim Schalldruckpegel im

Freifeld( druckseitig ) ist der modifizierte Staubsauger um 5,1dB leiser. Auch bei der

spezifischen Leistung ist der modifizierte Staubsauger um 5,1dB leiser als der

Originalstaubsauger. Im Kanal(saugseitig) ist es praktisch umgekehrt. Dort ist der

Originalstaubsauger sowohl beim Schalldruckpegel als auch bei der spezifischen

Schalleistung um 5,3dB leiser als der modifizierte Staubsauger.



Bis etwa 1400Hz ist ein sehr hoher Pegel des Originalstaubsaugers gegenüber dem

Pegel des modifizierten Staubsauger zu erkennen, der in etwa 6-8dB höher liegt als

der von dem modifizierten Staubsauger.

In Bild 43 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Freifeld (druckseitig) zu

sehen. Ungefähr bis 5200Hz ist ein deutlich höhere Pegel des Originalstaubsaugers

gegenüber dem Pegel des modifizierten Staubsaugers zu erkennen. Bei 2182Hz tritt

die fünfte Ordnung der Drehzahl des Originalstaubsaugers stark in Erscheinung, die

vermutlich an der Stelle mit einer Resonanzfrequenz korrespondiert.



Betriebspunkt bei gleicher Drosselgeometrie


[U/min] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]Original 25200 0,0098 0,3586 0,14 83 81,9 30,7 29,6 128,4 119,8 39,2 30,6modifiziert 24840 0,01088 0,4397 0,178 80,3 78,7 26,1 24,5 129,8 121,7 38,7 30,6

Tabelle 16: Aerodynamische und akustische Meßwerte bei einer 50% Drosselung.


Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers bei nicht konstant

gehaltener Drehzahl und Lieferzahl bei einer Drosselung von etwa 50% aufgetragen.

Warum gerade dieser Betriebspunkt für einen Vergleich ausgewählt worden ist, wird

bei der Dokumentation der Tabelle 9 ausführlich erläutert. Bei diesem Betriebspunkt

hat der Originalstaubsauger eine Drehzahl von 25200 U/min, eine Lieferzahl von

ϕ=0,0098 und eine Druckzahl von ψ fa=0,3586. Der modifizierte Staubsauger erreicht

eine Drehzahl von 24840 U/min, eine Lieferzahl von ϕ=0,0098 und eine Druckzahl

von ψ fa=0,3586. Auch hier ist aufgrund der unterschiedlichen Drehzahlen und

Lieferzahlen unter dem aerodynamischen Aspekt kein fairer Vergleich möglich.

Würde man aber wie in Tabelle 10 gemäß des Wirkungsgrads urteilen, dann wäre

der modifizierte Staubsauger der bessere. Bei dem Schalldruckpegel im Freifeld

(druckeitig) ist der modifizierte Staubsauger um 2,7dB leiser und zusammen mit den

aerodynamischen Werten ist der modifizierte Staubsauger gemäß der spezifischen

Schalleistung um 4,6dB leiser als der Originalstaubsauger. Im Kanal (saugseitig) sind

die Staubsauger sowohl beim Schalldruckpegel als auch bei der spezifischen

Schalleistung praktisch gleich laut.



Bis etwa 400Hz sind die Spektren praktisch identisch. Ab 400Hz hat der modifizierte

Staubsauger ungefähr um 2dB höhere Pegel.

In Bild 45 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Freifeld dargestellt. Hier hat

der Originalstaubsauger bis etwa 4400Hz ungefähr 4-6dB höhere Pegel als der

modifizierte Staubsauger.



Betriebspunkt bei gleichem statischen Unterdruck an der Einlaufdüse und beigleicher Drosselung

In der Tabelle 17 sind die aerodynamischen und akustischen Meßwerte des

Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers bei einer Drosselung von

50% und bei gleichem statischem Unterdruck aufgetragen. Die Überlegung, gerade

diesen Betriebspunkt auszuwählen, lag darin, daß eine 50%ige Drosselung am

Prüfstand, wie in der Dokumentation für die Tabelle 9 erläutert, der realen

Drosselung des kommerziellen Staubsaugers am ehesten entspricht. Aufgrund der

großen aerodynamischen Überlegenheit des modifizierten Staubsaugers gegenüber

dem Originalstaubsauger in der Tabelle 16 (bei der gleichen Drosselung von 50%),

ist hier die Drehzahl des modifizierten Staubsaugers solange herunter gesetzt

worden, bis sich an der Einlaufdüse der statische Unterdruck des

Originalstaubsaugers und damit auch die gleiche Gesamtdruckerhöhung und der

gleiche Volumenstrom einstellten. Dieser Vorgang ist in Bild 46 grafisch dargestellt.

Bei Verkleinerung der Drehzahl bei konstanter Drosselgeometrie von dem

modifizierten Staubsauger wandert der Betriebspunkt BP1 nach links zum

Betriebspunkt des Originalstaubsaugers BP-original. Dieser neue Betriebspunkt des

modifizierten Staubsaugers wird hier BP1` benannt. Wenn man nun die

Drosselgeometrie verändert, entsteht die grüne Kurve für den modifizierten

Staubsauger. Man sieht, daß sich der Betriebspunkt BP1 durch Verkleinerung der

Drehzahl zu dem Betriebspunkt BP-original verschiebt. Man sollte hierbei beachten,

daß sich die hier verglichenen Strömungsmaschinen geometrisch nur wenig

unterscheiden und daher tatsächlich mittels Drehzahländerung gleiche

Betriebspunkte erreicht werden.


Bild 46: Schematische Darstellung der Betriebspunktverschiebung.


[U/min] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]Original 25200 0,0098 0,3586 0,14 83 81,9 30,7 29,6 128,4 119,8 39,2 30,6modifiziert 23040 0,01077 0,4240 0,171 79,2 78,4 27 26,2 129,2 120,1 40,1 31

Tabelle 17: Aerodynamische und akustische Meßwerte bei einer Drosselung von

50% und bei dem gleichen statischen Unterdruck an der Einlaufdüse.

Gemäß Tabelle 17 hat der modifizierte Staubsauger aufgrund seiner niedrigeren

Drehzahl eine größere Lieferzahl und eine größere Druckzahl gegenüber dem

Originalstaubsauger. Beim Schalldruckpegel im Freifeld(druckseitig) ist der

modifizierte Staubsauger um 3,8dB leiser. Und zusammen dann mit den besseren

aerodynamischen Werten ist der modifizierte Staubsauger gemäß der spezifischen

Schalleistung im Freifeld um 3,7dB leiser als der Originalstaubsauger. Obwohl der

modifizierte Staubsauger aufgrund seiner niedrigeren Drehzahl wesentlich höhere

Werte für die Druckzahl erreicht als der Originalstaubsauger, wird dies mittels des

spezifischen Schalleistungpegels nach Madison nicht angemessen berücksichtigt. Im

Kanal(saugseitig) hat der Originalstaubsauger einen um 0,8dB niedrigeren

Schalldruckpegel und um eine 0,9dB kleinere spezifische Schalleistung.

0,020 0,022 0,024 0,026 0,028 0,030 0,032 0,034 0,036 0,038 0,0401000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

BP-original

BP 1

Originalstaubsaugerbei n=25200 U/min

modifizierter Staubsaugerbei n=24840 U/min

modifizierter Staubsaugerbei n= 23040 U/min

BP 1`

s³m

V&

[ ]Pap fa∆



Die Spektren sind hier praktisch identisch.

In Bild 48 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Freifeld(druckseitig)

dargestellt. Hier ist ein deutlich höheres Spektrum des Originalstaubsaugers

gegenüber dem Spektrum des modifizierten Staubsaugers zu erkennen. Bis

ungefähr 4800Hz ist breitbandig ein um etwa 4-6dB höherer Pegelanstieg des

Originalstaubsaugers zu sehen.





[U/min] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]Original 26190 0,00592 0,5823 0,16 85 84,2 29,8 29 123,6 118,1 31,6 26,1modifiziert 23220 0,00935 0,4983 0,181 78,7 77,7 25,5 24,5 127,9 118,7 37,9 28,7

Tabelle 18: Aerodynamische und akustische Meßwerte beim Optimum.


Originalstaubsaugers und des modifizierten Staubsaugers bei ihren Optimalpunkten

aufgetragen. Der Optimalpunkt des modifizierten Staubsaugers liegt auf der grünen

Kurve die in Bild 46 aufgetragen ist. Hier sind die Drehzahlen und die Lieferzahlen

der Konfigurationen nicht konstant. Der Originalstaubsauger erreicht seinen

Optimalpunkt bei einer Drehzahl von 26190 U/min, einer Lieferzahl von ϕ=0,00592

und einer Druckzahl von ∆ψfa =0,5823 bei einer Drosselung von ungefähr 33%. Der

modifizierte Staubsauger erreicht seinen Optimalpunkt bei einer Drehzahl von 23220

U/min, einer Lieferzahl von ϕ=0,00935 und einer Druckzahl von ∆ψfa =0,4983 bei

einer Drosselung von ungefähr 44%. Auch hier ist aufgrund unterschiedlicher

Drehzahlen und Lieferzahlen bei den aerodynamischen Kenngrößen kein fairer

Vergleich möglich. Gemäß dem Schalldruckpegel im Freifeld (druckseitig) ist der

modifizierte Staubsauger um 6,3dB und gemäß der spezifischen Schalleistung um

4,4dB leiser. Im Kanal(saugseitig) ist es praktisch umgekehrt. Dort ist der

Originalstaubsauger gemäß dem Schalldruckpegel um 4,3dB und gemäß der

spezifischen Schalleistung um 6,3dB leiser als der modifizierte Staubsauger.



Beim Spektrum des modifizierten Staubsaugers ist bis ungefähr 1500Hz breitbandig

eine Pegelerhöhung von etwa 6dB zu sehen.

In Bild 50 ist der Vergleich der Schalldruckspektren im Freifeld(druckseitig)

dargestellt. Hier ist bis ungefähr 1100Hz ein um etwa 4-6dB breitbandig höhere

Pegel des Originalstaubsaugers zu sehen. Ab ungefähr 1100Hz bis 4800dB steigt

der Pegelunterschied bis etwa auf 8dB. Bei 2182Hz ist die fünfte Ordnung der

Drehzahl des Originalstaubsaugers zu erkennen, die vermutlich an dieser Stelle mit

einer Resonanzfrequenz des Gehäuses zusammentrifft.



4.5 Aerodynamische und akustische Kenngrößen des Staubsaugers amprovisorischen Prüfstandsaufbau

Bevor der Staubsauger an dem eigentlichen Prüfstand (vgl. Bild 2) angeschlossen

wurde, sind auch aerodynamische und akustische Untersuchungen des

Staubsaugers an dem provisorischen Prüfstand (vgl. Bild 1) durchgeführt worden.

Diese Untersuchungen werden in der vorliegenden Arbeit aber nicht mit einbezogen,

weil die ermittelten aerodynamischen Meßwerte des Staubsaugers mit den

aerodynamischen Meßwerten, die an dem Kanalprüfstand ermittelt wurden, nicht

übereinstimmten. Zum anderen bestand hier keine Möglichkeit den Staubsauger an

seinen charakteristischen Betriebspunkten, wie zum Beispiel am Optimalpunkt, zu

untersuchen. Es wurden hauptsächlich Messungen durchgeführt, bei denen der

Staubsauger vom Stillstand bis zu seiner maximalen Drehzahl hochgefahren wurde.

In Bild 51 ist dazu eine Art Campbell-Diagramm (Auftrag über der Zeit) dargestellt.

Bei etwa 100Hz und 370Hz sind deutlich Resonanzfrequenzen zu erkennen, deren

Amplituden größer werden, wenn die Drehzahl erhöht wird (100Hz) oder wenn die

Drehzahl oder Rotorfrequenz mit der Resonanzfrequenz korrespondiert (370Hz). Bei

beiden Resonanzfrequenzen handelt es sich vermutlich um geometrische

Rohrresonanzen, die aber nicht weiter von Interesse sind und daher auch nicht

detailliert untersucht wurden.

Bild 51: Spektren der Wanddruckschwankungen über der Zeit für einenHochfahrversuch am provisorischen Prüfstand.

Kapitel 5: Optimierungsvorschläge 92

5 Optimierungsvorschläge

Einlaufdüse

Normalerweise sind Radiallaufräder mit einem Radeinlauf versehen. Bei dem

Radiallaufrad des untersuchten Staubsaugers ist kein Radeinlauf vorhanden. In Bild

52 ist das Laufrad des untersuchten Staubsaugers im Vergleich zu einem Laufrad mit

Radeinlauf dargestellt. Als Radeinlauf für den untersuchten Ventilator ist der Einlauf

des Ventilatordeckels, siehe Bild 53, vorgesehen.

Einlauf

Bild 52: a) Originallaufrad, Bild 53: Ventilatordeckel.

b) Laufrad mit Radeinlauf.

Gemäß den Meßergebnissen in Kapitel 5 hat der Staubsauger mit dem in Bild 53

dargestellten Ventilatordeckel und mit der in Bild 54 zu sehenden selbstgebastellten

Einlaufdüse gut abgeschnitten. Um noch bessere Ergebnisse zu erzielen, könnte

man die von Hand geformte Einlaufdüse optimieren. In Bild 55 wird eine

entsprechende Konstruktionszeichnung gezeigt, wie die optimierte Einlaufdüse im

eingebauten Zustand aussehen könnte. Hierbei ist der Innendurchmesser der

Einlaufdüse genauso groß wie der Einlauf des Ventilatordeckels. Der

Ventilatordeckel sitzt dann genau auf dem Rohrstück der Düse. Damit ist zwischen

der Einlaufdüse und dem Ventilatordeckel keine Spaltströmung möglich, was folglich

zu einer besseren Zustömung führen könnte.

.


Bild 54: Einlaufdüse am Eintrittsloch

Für die industrielle Fertigung ist es sinnvoller, keine einzelnen Einlaufdüsen für den

Staubsauger anzufertigen, sondern die Trennwand, auf der die Einlaufdüse im

Modellversuch angebracht ist, siehe Bild 55, wie eine Einlaufdüse zu formen. In Bild

56 ist die Trennwand mit integrierter Einlaufdüse dargestellt.




Spiralgehäuse

Als Gehäuseform für Radialventilatoren werden gewöhnlich sogenannte

Spiralgehäuse verwendet, siehe Bild 57.

Bild 57: Radialventilator mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln, aus [4].

Der hier untersuchte Ventilator hat das in Bild 58a dargestellte Gehäuse, das

vermutlich eine ungünstige Geometrie hat. In Bild 58b ist der Ventilatorsitz im

Staubsauger zu sehen, der in etwa der Form einer Spirale ähnelt, wie sie für

Radialventilatoren üblich ist.

Bild 58a: Ventilatordeckel. Bild 58b: Ventilatorsitz.


Exemplarisch wird im folgenden ein spiralförmiges Gehäuse berechnet. Für die

Auslegung der Spiralegeometrie ist dafür mit den Gleichungen

und in MATLAB gerechnet worden:

clear alldelta_p=12071; %Druckerhöhung in [Pa]V_pkt=0.0253; %Volumenstrom in [m^3/s]rho=1.2; %Dichte des Fördermediums in [kg/m^3]r0=0.135; %Spiraleninnenradius in [m]n=400; %Drehzahl in [1/s]b=0.015; %Breite der Spirale in [m]U2=2*r0*pi*n;k=delta_p*r0/(rho*U2);phi=linspace(0.2*pi,2.5*pi,500);r=r0*exp(phi.*V_pkt./(2*pi*b*k));x=r.*cos(phi);y=r.*sin(phi);plot(x,y);fid=fopen('spirale_x.txt','w+');count=fprintf(fid,'%7.4f\n',x);fid=fopen('spirale_y.txt','w+');count=fprintf(fid,'%7.4f\n',y);fclose('all')hold onphi1=linspace(0,2*pi);x1=r0*cos(phi1); Laufrady1=r0*sin(phi1);plot(x1,y1);hold off;

Bild 59: Berechnung der Spirale mit MATLAB mit dem dazugehörigen Plot.

Zur konstruktiven Realisierung eines echten Spiralgehäuses müßte man entweder

den ursprünglichen Ventilatordeckel weglassen oder nur den modifizierten

Ventilatordeckel benutzen.

ϕ⋅⋅π

=Kb2

V

0rr

ln&

UrY

K 0⋅=


Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit ist ein Staubsauger der Firma TÜRK-ELEKTRIK-ENDÜSTRISI

A.S., Istanbul, aerodynamisch und akustisch untersucht und verbessert worden. Dabei sind

ausschließlich Vergleichsmessungen herangezogen worden, insbesondere für die Vermessung

der akustischen Kenngrößen sind die Umgebungs- oder Randbedingungen für die Ermittlung

absoluter Werte nicht hinreichend gewesen. Änderungen sind ausschließlich an der

Radialventilatoreinheit am Ventilatordeckel und im Einlaufbereich vorgenommen worden.

Mit der Modifizierung des Ventilatordeckels ist eine Verbesserung des Schalldruckpegels

um bis zu 4dB und der spezifischen Schalleistung um bis zu 6dB erreicht worden. Mit dem

zusätzlichen Einbau einer Einlaufdüse ist eine Vergrößerung der Gesamtdruckerhöhung (frei

ausblasend) um bis zu 50% und damit eine Verbesserung der spezifischen Schalleistung um

bis zu 7,5dB erreicht worden. Die akustischen Verbesserungen sind breitbandig. Daher

handelt es sich bei der aerodynamischen Verbesserung vermutlich um eine Reduzierung von

Strömungsablösungen.

Um die verschiedenen Konfigurationen einigermaßen fair vergleichen zu können, sind in

dieser Arbeit im wesentlichen charakteristische Betriebspunkte des kommerziellen

Staubsaugers angefahren worden. Die Untersuchung ist auf dem Optimalpunkt und zwei

Punkte, die jeweils rechts und links vom Optimalpunkt liegen, fokussiert worden. Die

Vergleiche der Motordeckel im Originalstaubsauger haben ergeben, daß der hier als

Motordeckel MD1 benannte Deckel aerodynamisch besser aber akustisch schlechter ist. Beim

Optimalpunkt weist der Motordeckel MD1einen um etwa 3dB schlechteren

Schalldruckpegel auf. Beim Vergleich ausschließlich der Motordeckel im modifizierten

Staubsauger stellte sich heraus, daß es keine Unterschiede zwischen den Motordeckeln gab.

Da die aus Kunststoff gefertigten Motordeckel eine unterschiedliche Anzahl an

Leitgitterkanälen haben, ist es aber sehr wesentlich mit welchem Ventilatordeckel der

Staubsauger betrieben wird.

Aufgrund der großen Überlegenheit des modifizierten Gebläses gegenüber dem

Originalgebläse, sowohl aerodynamisch als auch akustisch, ergeben sich drei Möglichkeiten

den Staubsauger künftig zu betreiben:


• Die erste Möglichkeit ist, den Staubsauger mit der maximalen Gesamtdruckerhöhung, die

aufgrund der Modifizierung des Ventilatorsdeckels und des Einsatzes der Einlaufdüse

erreicht wurde, zu betreiben.

• Die zweite Möglichkeit ist, den Staubsauger mit dem modifizierten Gebläse bei der

gleichen aerodynamischen Leistung des Originalstaubsaugers zu betreiben. Wobei die

Reduzierung der aerodynamischen Leistung des Staubsaugers mit dem modifizierten

Gebläse keine Verbesserung der akustischen Meßwerte ergab, wie es eigentlich zu

erwarten wäre.

• Die dritte Möglichkeit ist, wenn hauptsächlich die Verbesserung der Akustik an erste

Stelle gesetzt wird, den Staubsauger nur mit dem modifizierten Ventilatordeckel zu

betreiben. Eine Geräuschreduktion erfolgt nur mit dem modifizierten Ventilatordeckel,

wobei die Vergrößerung der Gesamtdruckerhöhung bei gleichem Durchsatz mit etwa 26%

gegenüber dem Originalzustand erheblich ist.

Insgesamt ist bei den akustischen Messungen aufgefallen, daß an den saugseitig (im Kanal)

gemessenen Schalldruckpegel die Meßwerte vermutlich aufgrund der akustisch ungünstigen

Plazierung der Drosselklappe verfälscht worden sind. Deshalb wurden hier zusammenfassend

nur die druckseitig (im Freifeld) gemessenen Schalldruckpegel betrachtet.

Documents

FH Dstroemungsakustik.de/old.mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Ka... · 2017. 2. 20. · einfachen Aufbau zu konstruieren, lag darin, einige Kenndaten wie Drehzahl, und Volumenstrom des