Überspannung, Strömungsabriss und Instabilität bei Ventilatoren: Geheimnisse der Auftragnehmer

Mar 13, 2024

Abbildung 1 (Seite 7) zeigt den Durchfluss für ein ideales System. Die Abbildungen 2 bis 5 (Seiten 8 und 10) zeigen verschiedene Bedingungen für zeitliche Schwankungen des Durchflusses.

Diejenigen, die sich mit der Messung von Durchflussraten befassen, wissen, dass ideale Strömungsbedingungen nicht üblich sind. Um einen genauen Messwert zu erhalten, wird für jeden Punkt der Durchflussmessung normalerweise ein zeitlicher Mittelwert über 10 Sekunden oder länger ermittelt. Schwankungen der Durchfluss- und Druckwerte von 10 % über kurze Zeiträume sind relativ häufig.

Falsch ausgewählte oder falsch eingesetzte Ventilatoren können jedoch weitaus größere Abweichungen hervorrufen. Die Bedingungen können so schwerwiegend werden, dass die Strömung durch den Ventilator mehrmals pro Minute zwischen Vorwärts- und Rückwärtsrichtung (Strömung verlässt den Einlass) schwanken kann (siehe Abbildung 4).

Schwankungen im Durchfluss und im Druck erschweren nicht nur die Messung des Durchflusses, sondern können auch eine Reihe von Problemen verursachen:

Ein Verständnis der Ursachen instationärer Strömungen kann bei der Vermeidung dieser Probleme hilfreich sein. Da einige der Ursachen komplex sind, haben Forscher Interesse gezeigt.

Über die genauen Ursachen herrscht in den Schlussfolgerungen keine einheitliche Einigkeit. Aus ihrer Forschung können wir jedoch lernen, welche Bedingungen dazu neigen, normal zu funktionieren, und diejenigen vermeiden, die dies nicht tun.

Durch diese Änderung der Richtung (und der relativen Geschwindigkeiten) kann der Ventilator Druck erzeugen. Wenn der Anstellwinkel zu stark wird, folgt die Luft nicht mehr gleichmäßig der Blattoberfläche.

Das Ausmaß der Durchbiegung und der erzeugte Druck nehmen nicht mehr zu und fallen normalerweise ab. Dies wird als Stallpunkt bezeichnet.

Bei einem Ventilator drehen sich die Flügel normalerweise mit konstanter Geschwindigkeit. Um den Anstellwinkel zu ändern, muss daher das System geändert werden, an dem der Lüfter befestigt ist. Höhere Durchflussraten durch den Einlass vergrößern den Anstellwinkel; Niedrigere Durchflussraten verringern ihn.

Wenn also ein Lüfter blockiert, liegt das daran, dass der CFM zu niedrig ist. Bei einem bestimmten System wird dies durch die Auswahl eines zu großen Lüfters verursacht (wodurch die Luftgeschwindigkeiten im Lüfter zu niedrig werden).

Bei einigen Lüftern ist der Anstellwinkel nicht über die gesamte Breite des Flügels gleichmäßig. Dies sind normalerweise nicht die effizientesten Ventilatoren, obwohl die Schwere des Strömungsabrisses oft geringer ist, da bei jeder Strömungsgeschwindigkeit nur ein Teil des Flügels zum Strömungsabriss kommt.

Manche Leute sagen, dass Radialventilatoren mit Radialflügeln immer im Stillstand sind, weil die Richtungsgeschwindigkeit des Flügels und die der anströmenden Luft schlecht übereinstimmen. Das ist im Wesentlichen wahr. Bei diesen Ventilatortypen kann es jedoch bei sehr niedrigen Durchflussraten zu stark zeitlich schwankenden Strömungen kommen, da die internen Verluste durch den Strömungsabriss dominiert werden und der Druck an diesem Punkt abfällt.

Ein Ventilator, der am oder in der Nähe des Strömungsabrisspunkts läuft, führt in der Regel zu einer erheblichen Erhöhung des Geräuschpegels. Bei manchen Ventilatoren hört es sich fast so an, als würde das Laufrad von einem festen Gegenstand getroffen (Hämmern). Reiner Strömungsabriss weist tendenziell eine zufällige Frequenz auf, es gibt jedoch Sonderfälle, in denen eine reine Frequenz erzeugt wird. Dies wird später besprochen.

Die Strömung eines Ventilators im Strömungsabriss unterliegt zeitlichen Schwankungen. Dies ist jedoch normalerweise nicht der Hauptgrund zur Sorge. Die erhöhte Lärmentwicklung kann ein Problem darstellen, aber auch das lässt sich in den Griff bekommen.

Die größte Sorge bei einem Ventilator im Stillstand ist die Möglichkeit mechanischer Schäden. Wer eine holprige Flugreise hinter sich hat, hat ein Gespür dafür, wie schwerwiegend aerodynamische Stöße sein können.

Ein Ventilator, der ständig im Strömungsabriss arbeitet, kann strukturelle Metallermüdung erleiden. Dies gilt insbesondere für Axialventilatoren mit langen, schlanken Flügeln oder aus Blech gefertigten Flügeln.

Radialventilatoren sind weniger anfällig für Beschädigungen. Es ist bekannt, dass Radialventilatoren, die für relativ hohe Drücke ausgelegt sind, aber bei sehr niedrigen Drücken (weniger als 1 Zoll sp) arbeiten, viele Jahre lang im Dauerbetrieb ohne Beschädigung arbeiten.

Es gibt noch einen weiteren Nachteil, wenn ein Lüfter im Stall läuft. Dies bedeutet, dass die Effizienz des Lüfters nicht optimal ist. Ein kleinerer Ventilator kostet weniger und verursacht geringere Betriebskosten. Es wird wahrscheinlich auch einen größeren Lüfter überdauern.

Diese Lüfter sind in einem Spiralgehäuse untergebracht, das dabei hilft, den Druck des Lüfters zu erzeugen. Der Druck um den Umfang des Lüfterrads variiert je nachdem, wie nahe er sich am Lüfterauslass befindet (wo er am höchsten ist). Diese Ventilatoren haben mehrere Flügel, typischerweise neun bis zwölf.

Wir nennen den Durchgang zwischen den einzelnen Klingen eine Zelle. Der Durchfluss durch jede Zelle kann variieren, da der Druck an der Peripherie variiert. In der Nähe des Strömungsabrisspunkts ist es möglich, dass die meisten Zellen den normalen Vorwärtsfluss haben, während ein oder zwei Zellen den Rückwärtsfluss haben.

Die Luft, die durch diese Zellen nach hinten „spritzt“, kann nirgendwo hin, also bewegt sie sich in eine benachbarte Zelle und lenkt die Luft ab, die bereits durch sie geströmt ist. Diese Änderung des Angriffswinkels zwingt diese Zelle nun zum Stillstand. Dann strömt es auch in die entgegengesetzte Richtung, strömt an seiner Luftblase weiter und immer weiter um das Lüfterrad herum.

Die meisten Forscher haben berichtet, dass die Bewegungsfrequenz dieses rotierenden Strömungsabrisses bei etwa zwei Dritteln der Drehzahl des Ventilators liegt. Einige haben beobachtet, dass zwei bewegliche Zellen gleichzeitig eine Frequenz von vier Dritteln pro Minute erzeugen.

Es gibt andere Berichte über einen rotierenden Strömungsabriss, der zwischen zwei Dritteln und mehr als 90 % der Betriebsfrequenz liegt. Diese Frequenz wird sowohl bei Schall- als auch bei Vibrationsmessungen angezeigt, wird jedoch normalerweise bei Beschwerden über Lärm festgestellt.

In regelmäßigen Abständen „rülpste“ dieses System Feuer aus dem Einlass des Brenners. Dies war wahrscheinlich ein schwerwiegender Fall einer Systemüberspannung.

Das Geräusch, das ein aufblähender Ventilator erzeugt, wird von Beobachtern häufig als „Whoosh“ oder „Whoomp“ beschrieben. Für einen Anstieg müssen mehrere Kriterien erfüllt sein:

Vom Konzept her ist ein System im Spannungsbereich wie ein Oszillator. Die auf die Luft übertragene Energie wechselt zwischen der Erzeugung kinetischer Energie (hohe Geschwindigkeit im Kanal) und potenzieller Energie (Komprimierung der Luft im Plenum). Die positive Steigung der Lüfterkurve ermöglicht eine starke Verstärkung dieser Schwingung.

Unter extremen Bedingungen kann die Luft vorübergehend durch den Einlass zurückblasen.

In einem festen System ist die Stoßfrequenz konstant. Normalerweise ist die Frequenz niedrig genug, sodass Sie die Anzahl der Zyklen pro Minute (cpm) zählen können. es ist durchaus hörbar. Die schwerwiegendsten Berichte treten bei einer Häufigkeit unter 300 cpm auf. Ein Forscher berichtete, dass dieser Effekt bei Frequenzen über 450 cpm zu verschwinden scheint.

In Systemen mit variablem Volumen werden Sensoren verwendet, um Informationen bereitzustellen, die Klappen, Flügel, Geschwindigkeitsregler oder andere Mittel zur Einstellung der Durchflussrate steuern. Reagiert die Regelung zu schnell, kommt es zu einer Überkorrektur und sie muss in die andere Richtung nachregeln.

Unter extremen Bedingungen kann es vorkommen, dass ein System ständig hin und her pendelt.

Einige Ventilatoren sind nicht für alle Durchflussbereiche stabil.

Wenn man während eines Lufttests am Einlass (versuchen Sie das nicht!) einer großen Zentrifuge vorbeiging, verringerte sich der Durchfluss um über 15 %. Dieser Lüfter lief mit der geringeren Durchflussrate weiter, bis der Test erneut gestartet wurde.

Die Stabilität eines Ventilators können wir anhand von zwei Lufttests ermitteln. Bei einem Test beginnen wir mit vollem Durchfluss (freie Lieferung) und messen den Durchfluss und den Druck, während wir nach und nach den Widerstand erhöhen. Im zweiten Test beginnen wir beim Abschalten und verringern schrittweise den Widerstand.

Wir haben jetzt zwei Strömungs-Druck-Ventilatorkurven. Wenn sie sich nicht überlagern, liegt ein Bereich der Instabilität vor. Da es in jedem System nur zwei mögliche Zustände gibt, spricht man von bistabiler Strömung.

Obwohl sich das Geräusch zwischen den beiden Strömungsbedingungen ändert, ist keines von beiden besonders störend. Wenn der Lüfter auf hohen Durchfluss ausgelegt ist und in den niedrigeren Zustand schaltet, kann der Durchflussverlust ein Problem darstellen.

Bei rückwärts geneigten Radialventilatoren wurde eine bistabile Strömung beobachtet, normalerweise bei Leistungen nahe der freien Fördermenge und fast immer bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten als denen, bei denen der beste Wirkungsgrad erzielt wird.

Ventilatoren mit einem starken Einbruch im Strömungsabrissbereich können ein anderes Problem haben. Sowohl Flügelaxial- als auch Vorwärtskrümmungs-Radialventilatoren können große Einbrüche aufweisen.

Das Problem bei Parallelstromsystemen kann in der Startsequenz auftreten. Wenn die Lüfter richtig dimensioniert sind und gleichzeitig gestartet werden, gibt es kein Problem. Wenn jedoch ein Lüfter zuerst gestartet wird, ist der zweite Lüfter bereits beim Hochfahren einem Gegendruck ausgesetzt.

Bei voller Drehzahl kann es vorkommen, dass ein Lüfter mit einer Durchflussrate rechts vom Spitzenpunkt des statischen Drucks arbeitet, während der andere Lüfter auf der linken Seite des Spitzenwerts blockiert ist.

Es ist durchaus möglich, dass zwei identische Lüfter die Last nicht gleichmäßig aufteilen. Ein schwerwiegenderer Zustand kann vorliegen, wenn nicht identische Lüfter parallel betrieben werden.

Vor einigen Jahren ging von einem Kunden eine Beschwerde bezüglich eines Systems mit zwei parallel geschalteten Ventilatoren ein. Nach der Installation eines zweiten, größeren Lüfters parallel zu einem kleineren Lüfter, der bereits in Betrieb war, entsprach die kombinierte Strömung nicht den Erwartungen. Messungen ergaben, dass der zweite Lüfter allein mehr Druck erzeugte, als der erste Lüfter überhaupt leisten konnte Punkt auf seiner Fächerkurve. Der ursprüngliche Ventilator war völlig überlastet und der Luftstrom blies aus seinem Einlass zurück. Dem Kunden wurde empfohlen, den Originallüfter abzuschalten (um Strom zu sparen) und den Kanalzweig zum Originallüfter zu verschließen (und das Leck zu schließen).

Hier wurden zwei Lektionen gelernt:

1. Mischen Sie nicht zwei verschiedene Lüfter (oder betreiben Sie zwei identische Lüfter mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten) für den Parallelbetrieb.

2. Wenn in einem konstanten System mehr Durchfluss erforderlich ist, erhöhen Sie die Druckkapazität des Lüfters oder fügen Sie einen zweiten Lüfter in Reihe hinzu.

Wir alle möchten einfach einen Ventilator an ein System anschließen und einen kontinuierlichen, gleichmäßigen Luftstrom haben. Es wäre schön, wenn die Systemberechnungen hochpräzise wären und schlechte Betriebspunkte leicht vermieden werden könnten.

In der realen Welt werden Ventilatoren jedoch oft unter nicht optimalen Bedingungen eingesetzt, oft unter Bedingungen, bei denen ein Strömungsabriss wahrscheinlich ist. Selbst dann sind schwerwiegende Probleme selten.

Wenn Probleme auftreten, gibt es Methoden zur Identifizierung des Problemtyps. Sobald Probleme identifiziert sind, können Lösungen implementiert werden.