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

Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL8/ Nr.1 SoSe14

Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerkhttp://www.altaerosenergies.com/

Der elektrische Strom gelangt überdie Halteleinen zum Boden!


… neuer interessanter Link

http://www.cnn.com/2014/05/12/tech/innovation/big-idea-airborne-wind-turbines/

… Google investiert in ein ähnliches Konzept





Frank KameierStrömungstechnik II

8. Vorlesung Strömungsmaschinen

Ventilatoren / Radialverdichter

• Grundlagen • Regelung und Energieeffizienz • Strömung in Laufrad und Spiralgehäuse von Radialventilatoren


Aufbau eines Radialventilators

http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/d_lehre/a_stroemungstechnik/Skript_stroemaschinen.pdf


Spiralgehäuse Jeder Ventilator ohne Gehäuse mit logarithmischer Spirale kann aerodynamisch verbessert werden!

Vier-Radien-Methode (Bommes)


-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

logarithmische Spirale

Vier-Radien-Methode

schematisches Laufrad


Welche Rolle spielt die Kompressibilität der Luft?

Druckerhöhung < 30000 Pa

TRp

ideale Gasgleichung

R 287 J/(Kg K)p_b 101300 Pa NormzustandT 273 K 0° C Normzustand

dp rho0 1,293

1000 1,3062000 1,3184000 1,3448000 1,395

10000 1,42120000 1,54840000 1,803

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0 10000 20000 30000 40000 50000

rho [kg/m^3]

delta_p [Pa]

Ventilatoren

Was versteht man unter einem Ventilator?

1_HDT_Ventilatoren_dichte_differenzdruck060313.xlsx


1. Berechnen Sie die isentrope Temperaturerhöhung bei einer Druckänderung von1000 Pa2000 Pa5000 Pa10000 Pa.

isentrope Relation T2=T1((p1/p2)^((kappa-1)/kappa))[°C] [°C]

p_0 delta_p T_0 delta_T100000 1000 20 0,8100000 2000 20 1,7100000 5000 20 4,1100000 10000 20 8,1

(T_0+273,15)/((p_0/(delta_p+p_0))^((1,4-1)/1,4))-T_0-273,15

Temperaturerhöhung in Folge einer Druckänderung (kompressible Strömung, Ventilator)

2_HDT_Ventilatoren_isentrope_temperaturerhoehung_excel2010_060313.xlsx

Faustformel:pro 1000 Pa Druckerhöhungergibt sich 1K Temperaturerhöhung

7

11

211

00 Ma2

11TT



kappa 1.4 LuftT 293 °CR 287 J/Kg Ka 343 m/s Schallgeschwindigkeit

[m/s] [km/h] [kg/m^3] [kg/m^3] [%]c_ms c_kmh Ma rho_0 rho rho_0-rho/rho

10 36 0.03 1.2 1.199 0.030 108 0.09 1.2 1.195 0.450 180 0.15 1.2 1.187 1.1

100 360 0.29 1.2 1.151 4.3150 540 0.44 1.2 1.093 9.8

11

211

00 M a2

11TT

Kompressible Strömungen

11

211

00 Ma2

11TT

aus den Isentropenbeziehungen,

vgl. Schade/Kunz/Paschereit/Kameier (2007)

3_HDT_Ventilatoren_kompressibel_inkompressibel_excel2010_060313_lösung.xlsx



Kompressible Strömung – Näherung mit mittlerer Dichte(hier: Staubsaugergebläse)

2AustrittrittintE

Mittel


Y=


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



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!



VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen

Bild 10. Relatives Oktavschallleistungsspektrum für die Baugruppe RR

Wie ermittelt man die „Akustik“ eines Ventilators?



0AAlg10LpLw

Schallleistungspegel=Schalldruckpegel + durchschallte Fläche (A0=1m2)

VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen


4_HDT_Ventilatoren_Prognose_Lw_ueber_St_011013.xlsx


Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel

Im optimalen Betriebspunkt sind der Wirkungsgrad maximal der Schallpegel minimal

Kennlinie

Wirkungsgrad

Schalldruckpegel

η

Lw

Δp

optimalerBetriebspunkt

V•


Euler-Diagramm - Drehimpulsbilanz - Verluste


Energieeffizienz versus Geräusche

http://www.venti-oelde.de/download/prospekte/grossventilatoren-de.pdf


Regelung von Ventilatoren - Drosselklappe




Regelung von Ventilatoren - Drallregler


Regelung von Ventilatoren - Drehzahlreglung



Drehzahlregelung Abschaltung eines Großkraftwerks in der BRD

1 – Drosselklappe

2 – Drallregler

3 – Drehzahlreglung


Radgen (2002), Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung, Karlsruhe


Klimazentralgerät mit freilaufendem Radialventilator (Fa. Rox)


Siepert, H., Kennfeldverlauf eines Radialrades mit und ohne Spiralgehäuse, HLH Bd. 58, Nr. 8, 2007

Vergleich mit und ohne Spiralgehäuse

über 10 %-PunkteWirkungsgraddifferenz


15_HDT_Trocknungsofen_kalt_warm_Kennlinienhochrechnung_070313.xls

Radialventilator – Betrieb in einem Trocknungsofen (warm/kalt Betrieb)

kaltwarm

idealer Weg(temperaturgeregelte Drehzahl)

ungeregelter Weg- Stand der Technik -


Frank Kameier (Professor for Fluid Mechanics and Acoustics)Sophia SchönwaldRobert HeinzeTobias PohlmannUniversity of Applied SciencesDept. 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

http://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_fan

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Centrifugal_fan.gif


Industrial ventilation fan for a broad operating range

There is no benefit of a centrifugalfan with forward curved blades to a machine with backwards curved Blades.

… the common industrial view is different!

2m222u22Sch tan/cuucupY


The Diagram of Otto Cordier from 1953

Which machine can provide pressure rise and flow rate with high efficiency?

4343

21

)2/p(2Vn

2V2/pD 4

221

41

non-dimensional rotor speed

non-dimensional rotor diameter


The Cordier-Diagram by Willi Bohl 1980

Which machine can provide pressure rise and flow rate with high efficiency?

4343

21

)2/p(2Vn

2V2/pD 4

221

41

non-dimensional rotor speed (specific speed)

non-dimensional rotor diameter (specific diameter)

compressors

turbines

The impeller designinfluences theoverall efficiency!

Not considered in the Cordier-Diagram!

spec

ific

spee

d

specific diameter


forward curved radial tipped

backward curved

Different blade curvatures of centrifugal fans


sile

ntlo

udef

ficie

nthi

gh c

onsu

mtio

nof

pow

er (a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(e)(d)(c) (b)(a)

(a)

(b)(c)

(a)(b)

(c)

(a)

(e)

Influence of the blade design on efficiency, pressure rise and the non-dimensional power

2U

p2

AUV


Performance in comparison backwards/forward curved blades

“Backwards curved” needs higherrotational speed and resultsin same performance withmuch higher efficiency!

2m222u22Sch tan/cuucupY


“Düsseldorf” design tool

Graphical user interface based onEXCEL connected to AutoDesk for 3-D design.


“Düsseldorf” design procedure

design condition = maximal efficiencyflow rate, pressure rise, rotor speed, density

calculation of non-dimensional speed

application of similarity lawsCalculation of diameter or rotor speed

Horvat: automatically optimization of in build space

3-D design of the ideal fan with impeller, casing and inlet nozzle

calculation of non-dimensional diameter

design condition = maximal efficienyflow rate, pressure rise, impeller diameter, density

4343

21

2/p2Vn

4343

21

2/p2Vn

2V2/pD 4

221

41

2V2/pD 4

221

41

2)Dn(p2

2)Dn(p2

Bommes: empirical based polynomialof the non-dimensional pressure

Horvat: Remove of the flow rate throughthe non-dimensional speed

AnDV

AnDV


“Düsseldorf” impeller design (Bommes – design concept)

impeller/inlet nozzle gap - a main importance from acoustical point of view



Horvat (2009) found new impeller /casing position for an improved acoustics.

(Cut-off with big round nose andmoved position into the casing volute.)



3-D design of casing and impeller are available for further

CFD and FEM calculations.


impeller with volute casing

free-wheeling impeller without casing

Investigation of up-stream effects on the flow in an impeller blade section


impeller with volute casingfree-wheeling impeller without casing



impeller with volute casingfree-wheeling impeller without casing


… from acoustics point of view:with volute – no blade passing frequency free-wheeling impeller – with blade passing

frequency


Variation of the casing width – Ph.d.-Thesis Schönwald 2014

30% increased width 60% increased width


Variation of the casing width – Ph.d.-Thesis Schönwald 2014

30% increased width60% increased width


Variation of the casing width

Original 60% increased width


Summary – Industrial centrifugal fans – low energy consumption and low noise design

• Centrifugal fans designed with the guidelines of L. Bommes have anefficiency 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.


Optimale Position der Einlaufdüse - Einfluss der Spaltströmung auf die Kennlinien -



44Optimale Position der Einlaufdüse - Einfluss der Spaltströmung auf die Kennlinien -


Parametrisierung der Radien (Positionierung der Einlaufdüse)

Die gedachte Verlängerung der Tangente am inneren Ende der Einlaufdüse soll den Deckscheibenradius durch beide Enden schneiden.

1w D02,0s

104,0 Dsl

D 1r 0,14 D

de rr

Spaltlänge

Spaltweite

Deckscheibenradius

Einlaufdüsenradius


Strömungsführung des Spaltstroms (CFD-Rechnung)

Optimale Führung Sekundärströmung in der Ecke


47Abgedichteter Spalt an der Einlaufdüse

DichtbandAbdichtung des Spaltes zwischen Laufrad und Einlaufdüse.


Dimensionsloses Kennfeld – mit und ohne abgedichtetem Spalt

Aufwertung der Ventilatorkennlinie durch Abdichtung des Spaltes.


Spezifischer Schallleistungspegel: Normierung auf die Förderleistung

00

lg10lg20VV

ppLwLw t

s

… ermöglicht eine Vergleichbarkeit von Strömungsmaschinen unterschiedlicher Bautypen.

Der spezifischer Schallleistungspegel nach Madison …

Referenzgrößen Pap 10 smV /³10


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“


Low Noise Design: akustisch optimierte Gehäusezunge

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 !


Gehäusezunge – reduzierte Effizienz verbesserte Akustik


Dimensionsloses Kennfeld – Vergleich Original und Modifikation


Spezifischer Schallleistungspegel – Original und Modifikation

Die Konfiguration mit der modifizierten Gehäusezunge ist im Auslegungspunkt leiser.

≈ 4 dB


Schmalbandspektrum - Blattfolgefrequenz

ca. 10 dB

Im Vergleich zum Original-Design kann der Pegel der BFF um über 10 dB gesenkt werden.

450 500 550 60040

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

f [Hz]

Lp [d

B(A

)]originalmodifiziert

ca. 10 dB

Im Vergleich zum Original-Design kann der Pegel der BFF um über 10 dB gesenkt werden.


rückwärts gekrümmt gerade radial endend

Einfluss der Schaufelwinkel auf die Aerodynamik und Akustik

- keine Optimierung -


rückwärts gekrümmt

gerade radial endend

Dimensionsloses Kennfeld – Vergleich der Schaufelformen

flache Kennlinie war Kundenwunsch!


Das Laufrad mit rückwärts

gekrümmten Schaufeln ist

über weite Teile der Kennlinie akustisch am günstigsten.



Auslegungleisester Betrieb- Gehäuse ist zu klein -

00s V

Vlg10pplg20LwLw

(Gesetz von MADISON (1949))

Spezifischer Schallleistungspegel – Vergleich der Schaufelformen


Spezifischer Schallleistungspegel versus Wirkungsgrad59

rückwärts gekrümmt ist „leise“ und „effizient“




Geräuschprognose mittels Ähnlichkeitstheorie

Gesamt-Schallleistungspegel über phi

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75

phi

Lw [d

B]

Zu_Lw_n_2000 U/min

Zu_Lw_n_2500 U/min

Zu_Lw_n_3000 U/min

Zo_Lw_n_2000 U/min

Zo_Lw_n_2500 U/min

Zo_Lw_n_3000 U/min

Variation der Zungengeometrie


Hier exemplarisch: Variation der Zungengeometrie

Spiralgehäuse mit Vier-Radien-Methode konstruiert


Geräuschprognose mittels Ähnlichkeitstheorie

spezifische Gesamt-Schallleistungspegel über phi

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.75

phi

Lws [

dB]

Zu_Lws_n_2000 U/min

Zu_Lws_n_2500 U/min

Zu_Lws_n_3000 U/min

Zo_Lws_n_2000 U/min

Zo_Lws_n_2500 U/min

Zo_Lws_n_3000 U/min

00s V

Vlg10pplg20LwLw

(Gesetz von MADISON (1949))

Variation der Zungengeometrie


Zungenabstand und Geräuschentstehung

s [mm]

Laufrad= 380 mm


Zungenabstand und Geräuschentstehung

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

0 10 20 30 40

A-be

wer

tete

r Sch

alld

ruck

pege

l [dB

]

Abstand s [mm]

s [mm]

Laufrad = 380 mm


LiteraturangabenHorvat, I., Kameier, F.: CAE für Radialventilatoren unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes – Energieeffizienz, Haltbarkeit, Lärm, FKZ 1776X07, BMBF Forschungsprojektes, Abschlussbericht Juni 2009.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 2002.Bommes, L., Reinartz, D., Entwurfspolynome zur optimalen Auswahl und Bemessung von Industrieventilatoren radialer Bauart, 5th Conference of Industrial Fans, Zakopane, 6-8th October 1997.Bommes, L., Reinartz, D., Polynomisches Verfahren zur optimalen Gestaltung von Radialventilatoren, HLH Bd. 48 Nr. 4, 1997.Bommes, L.: Minderung des Drehklanges bei einem Radialventilator kleiner Schnellläufigkeit, Fo-Bericht Nr. 2895, Westdeutscher Verlag, 1979. Bommes, L., Brockmeyer, H., Reinders, H., Lüftungstechnisches Taschenbuch, Niederrhein-Verlag, 1975Bommes, L., Problemlösungen bei der Gestaltung von Radialventilatoren, HLH Bd. 25 Br. 12, 1974

Documents

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