Entwicklung und Validierung einer Skalierungsmethode für Ventilatoren

Saul, Sebastian (2022)
Entwicklung und Validierung einer Skalierungsmethode für Ventilatoren.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Bibliographie

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Kurzbeschreibung (Abstract)

In der vorliegenden Arbeit wird eine physikalisch basierte und universell einsetzbare Skalierungsmethode für axiale und radiale Ventilatoren hergeleitet. Diese basiert auf der Ineffektivität ε≔1-η und berücksichtigt die für Ventilatoren wichtigen Verluste: Reibungsverluste, Inzidenzverluste, Carnotsche Stoßverluste und Spaltverluste. Dadurch lassen sich Reynoldszahl, Machzahl, relative Rauheit und relativer Spalt berücksichtigen, so dass der Wirkungsgrad η, die Druckziffer ψ und die Leistungszahl λ im kompletten Betriebsbereich skaliert werden. Um den Einfluss der Reynoldszahl (Reibung) und der Machzahl (Kompressibilität der Strömung) zu untersuchen wird ein Druckkammerprüfstand entwickelt. Dieser erlaubt es den Kammerdruck und das Gas zu verändern wodurch Mach- und Reynoldszahl unabhängig voneinander veränderbar sind. Darüber hinaus werden Kennlinien in einem mehr als zweimal so großer Reynoldszahlbereich gemessen als dies mit herkömmlichen Prüfständen der Fall ist und die maximale Machzahl erhöht sich um ca. 8 %. Diese Skalierungsmethode wird mit radialen und axialen Ventilatoren auf normkonform aufgebauten Ventilatorprüfständen validiert. In allen Fällen werden η und ψ besser vorhergesagt als dies mit häufig verwendeten Skalierungsmethoden der Fall ist ohne dabei den zu skalierenden Parameter zu überschätzen. Zudem wird bei steigender Reynoldszahl die Verschiebung des Wirkungsgradoptimums in Richtung steigender Lieferzahl auf die Reibung zurückgeführt. Eine Analyse der unsicherheitsbehafteten Skalierung zeigt, dass die Skalierung zu höherer Reynoldszahl hin, was dem häufigsten Skalierungsfall entspricht, nicht zwangsläufig mit einer Erhöhung der Unsicherheit des skalierten Wirkungsgrads einhergehen muss. Mit Hilfe der Sensitivitätsanalyse werden alle Eingangsgrößen auf ihren Einfluss auf den Wirkungsgrad untersucht. Der Wirkungsgrad des Modells weist die höchste Sensitivität auf, gefolgt von der Spaltkonstante und dem absoluten Spaltmaß des Modells.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2022

Autor(en):

Saul, Sebastian

Art des Eintrags:

Bibliographie

Titel:

Entwicklung und Validierung einer Skalierungsmethode für Ventilatoren

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Pelz, Prof. Dr. Peter F. ; Schiffer, Prof. Dr. Heinz-Peter

Publikationsjahr:

2022

Ort:

Düren

Verlag:

Shaker Verlag

Reihe:

Forschungsberichte zur Fluidsystemtechnik

Band einer Reihe:

Kollation:

XVIII, 168 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

27 Januar 2021

Zugehörige Links:

TUprints Zweitveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

In the present work, a physically based and universally applicable scaling method for axial and centrifugal fans is derived. It bases on the ineffectiveness ε≔1-η and considers the important losses for fans: frictional losses, incidence losses, Carnot impact losses and gap losses. Reynolds number, Mach number, relative roughness, and relative gap are taken into account so that efficiency η, pressure coefficient ψ, and coefficient of performance λ are scaled over the entire operating range. To investigate the influence of Reynolds number (friction) independently of the Mach number (compressibility of the flow), a pressure chamber is developed. Furthermore, the Reynolds number range is increased by more than 100 % in comparison to investigations at ambient conditions and the maximum Mach number is increased by about 8 %. This scaling method is validated with axial and centrifugal fans on standardized fan test rigs. In all cases, η and ψ are predicted within the measurement uncertainty. Moreover, the shift of the efficiency optimum towards increasing flow coefficient is attributed to friction. An analysis of the scaling subject to uncertainty shows that scaling toward higher Reynolds number, which corresponds to the most common scaling case, is not necessarily accompanied by an increase in the uncertainty of the scaled efficiency. Sensitivity analysis is used to examine all input variables for their influence on the efficiency. The efficiency of the model has the highest sensitivity, followed by the gap constant and the absolute gap size of the model.

Englisch

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Fluidsystemtechnik (FST) (seit 01.10.2006)

Hinterlegungsdatum:

02 Mai 2022 13:59

Letzte Änderung:

25 Jul 2024 09:58

PPN:

Referenten:

Pelz, Prof. Dr. Peter F. ; Schiffer, Prof. Dr. Heinz-Peter

Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung:

27 Januar 2021