Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME Gépészmérnöki Kar, Áramlástan Tanszék

Témavezető: Dr. Vad János

Axiális átömlésű ventilátorok mikrofontömbös diagnosztikája

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Az axiális átömlésű ventilátorok a szellőzéstechnikától kezdve a repüléstechnikán át az élet számos területén részét képezik mindennapjainknak. Ezek a gépek bár egyenként lehetnek kis teljesítményűek, nagy számban történő alkalmazásuk szükségessé teszi a jó hatásfokkal történő üzemeltetésüket. Mindemellett, ha emberek vagy esetleg állatok tartózkodnak a gép közelében annak működése közben, akkor a minél csendesebb üzemeltetés is elvárt. A kutatás célja, a fent leírt célok elérésének érdekében az axiális forgógépek lapátozásában lejátszódó, áramlási eredetű zajkeltési mechanizmusok mélyebb megértése, valamint axiálventilátorok helyszíni kombinált áramlástani-akusztikai diagnosztikájára alkalmas módszerek kifejlesztése.

 

A kutatóhely rövid bemutatása

 

A Gépészmérnöki Kar Áramlástan Tanszéke Magyarország kevés, áramlástannal foglalkozó kutatóhelyeinek egyike, amelynek a szélcsatorna-laboratóriuma Közép-Kelet Európában egyedülálló. Már Dr. Gruber József óta a Tanszék egyik kiemelt kutatási területe a ventilátorok áramlástani és akusztikai vizsgálata, amelyben az elmúlt években egyre nagyobb szerepet kapott a mikrofontömbös méréstechnika. A kutatás jelenlegi vezéralakja a Tanszék vezetője, témavezetőm Dr. Vad János, aki már több olyan OTKA projektet vezetett vagy jelenleg is vezet, amely a témával kapcsolatos.

 

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

 

A ventilátorok működése közben fellépő energiaveszteségek és a kibocsátott zaj egy jelentős része a lapátozásban kialakuló kedvezőtlen áramlási jelenségekhez köthető, sok esetben ugyanarra az okra vezethető vissza (pl. a lapátokon kialakuló áramlási határréteg megvastagodása, leválása). Így már a tervezés során lehetővé válik az áramlási veszteségek és az áramlási eredetű zaj együttes csökkentése a kedvezőtlen jelenségek mérséklésével kapcsolatos tervezési irányelvek figyelembe vételével. Egy már – ipari környezetben – működő ventilátor esetén azonban a kibocsátott zaj és a felvett villamos teljesítmény is jelentősen meghaladhatja a katalógusban közölt adatokat, mivel a beépítési környezet és az üzemeltetés körülmények is eltérhetnek a tervezés során figyelembe vettől. Ez esetben a beépítési körülményeket is figyelembe vevő aerodinamikai szimuláció vagy helyszíni áramlástani és akusztikai mérések alapján lehet következtetni a hatásfokcsökkenés és zajnövekedés okára. A szimuláció elkészítése sok időt és nagy szakértelmet igényel, míg a hagyományos akusztikai méréshez alacsony háttérzaj szükséges, így az üzem egyéb részeinek leállítását vonhatja maga után. Ez utóbbira jelenthet megoldást a mikrofontömbös méréstechnika, amely több, szinkronizáltan mintavételező mikrofonból álló mérőrendszert alkalmaz. Az így kapott jelből, nyalábformálási algoritmusok alkalmazásával a műszert a tér bármely pontjára fókuszálhatjuk, és egy képzeletbeli pontrácson végig haladva zajforrás-térképet készíthetünk, amely megadja a vizsgált térrészben található zajforrások helyét és erősségét. Erre mutat példát az 1. ábra. E méréstechnika további előnye, hogy erős háttérzaj esetén is alkalmazható, ami kiküszöböli a zajos környezet problémáját.

1. ábra: Ablak zajáteresztésének vizsgálata [1]

 

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések.

 

Bár a mikrofontömbös méréstechnikát sok esetben alkalmazzák forgógépek akusztikai vizsgálatára, áramlástani méréssel való kiegészítésére azonban kevés példa akad. Így a kutatás elsődleges célja olyan diagnosztikai módszerek kidolgozása, amelyek a mikrofontömbös méréstechnikát hagyományos, térben felbontott áramlástani méréssel egészítik ki, és eleget tesznek a helyszíni mérésekkel szemben állított követelményeknek. A kidolgozott módszerek a következő jelenségek megértését célozták meg:

 

Határréteghez köthető zaj

Szilárd fal közvetlen közelében az áramló közeg sebessége megegyezik a fal sebességével, és a faltól távolodva fokozatosan éri el a főáramlás sebességét: ez az áramlási határréteg. Amennyiben a közeg növekvő nyomással szemben áramlik (, mint a ventilátorok lapátcsatornája esetén), akkor a határréteg megvastagodik, illetve le is válhat, azaz az áramlás nem követi tovább a szilárd felületet. [2] A lapátok felületén kialakuló határréteg megvastagodása, mind a kibocsátott zaj, mind a veszteségek növekedését is okozza, és leválás esetén ezek ugrásszerűen megnőnek. [3][4] A kutatás egyik célja, olyan diagnosztikai módszer kidolgozása, amellyel a lapátok felületén kialakuló határréteghez köthető zaj és veszteségek becsülhetőek, és azok mérséklésére javaslat tehető, pl. a járókerék belépő keresztmetszetében létrejövő áramlási sebességprofil befolyásolásával.

 

Résáramláshoz köthető zaj

A ventilátorlapátok szívott és nyomott oldala között kialakuló nyomáskülönbségnek köszönhetően a lapátok csúcsa felett áramlás indul meg a nyomott oldal felől a szívott irányába. Amennyiben a ventilátor egy csőben helyezkedik el, az álló csőfal és a mozgó ventilátorlapát okozta nyíróhatás a kettő közötti résben kialakuló áramlást még zavarosabbá teheti. [3][4] Bár régóta ismert, hogy a résáramlás szintén zaj- és veszteségforrást jelent, a vizsgálatok során készített zajforrástérképek mutattak rá arra a problémára, hogy sokszor nem állapítható meg, hogy a lapátcsúcs környékén található zajforrások a résáramláshoz vagy a lapát belépőélét elérő turbulens áramláshoz köthetőek-e. A kutatás másik célja a zajforrástérképek értelmezésében jelentkező ezen bizonytalanság megszűntetése.

 

Módszerek

 

Méréstechnika

Az áramlástani mérésekhez, a helyszíni alkalmazhatóságot szem előtt tartva, olyan műszerre van szükség, amely robosztus, hordozható, azonban térben felbontott információt szolgáltat. Ezért a választás a szárnykerekes anemométerre esett, amellyel nagy sebességtartományban lehet pontszerűen áramlási sebességet mérni.

Az akusztikai mérésekhez a már korábban említett mikrofontömbös méréstechnika került alkalmazásra. A zajmérési adatok feldolgozása a ROSI nyalábformálási algoritmussal [5] történt, amellyel a ventilátor járókerékkel együtt forgó relatív vonatkoztatási rendszerben is készíthetőek zajforrás-térképek, ezzel lehetővé téve a lapátozáshoz köthető zajforrások mélyebb vizsgálatát.

 

Fél empirikus modellek

A lapátok felületén kialakuló határréteg vastagsága mind az okozott áramlástani veszteségeket, mind a kibocsátott zajt meghatározó tényező, így ismerete elengedhetetlen, kimérése azonban bonyolult, és csak laborkörülmények között lehetséges. A probléma áthidalására jelentenek megoldást az olyan, axiálventilátorokra kifejlesztett fél empirikus modellek [3][6][7], amelyekkel egyszerűen mérhető vagy beszerezhető adatokból (lapátgeometria, belépő sebességprofil, fordulatszám, stb.) a lapátok felületén kialakuló határréteg vastagsága a sugár mentén becsülhető.

Az egyedül álló szárnymetszetek felületén kialakuló határrétegből származó zaj becslésére is alkottak fél empirikus modellt [8] (későbbiekben BPM modell). Ezzel a megfúvási szög és sebesség, a határréteg-vastagság és a szárnyméretek ismeretében a kibocsátott zaj spektrálisan becsülhető. Mivel a ventilátorlapátok is szárnymetszetekből állnak, a modell alkalmazása hasznos lehet a jelen probléma esetén is.

 

Áramlástani szimuláció

A lapátozásban lejátszódó áramlási jelenségek alaposabb megértésében jelentős szerepet játszanak a numerikus áramlástani szimulációk, ami jelen esetben a véges térfogatok módszerével történt. Ezen módszer alkalmazásakor az áramlási tér geometriai modelljét megfelelő finomságú cellákra bontjuk (behálózzuk), az áramlási teret határoló felületekre pedig előírjuk a megfelelő peremfeltételeket. Ezután az áramlást leíró egyenleteket (anyagmegmaradás, impulzus megmaradás, turbulens jelenségek hatása, stb.) a numerikus hálón megoldva, a vizsgálandó áramkép meghatározható. A jelen vizsgálatokhoz használt geometria modell és az előírt peremfeltételek a 2. ábrán láthatók.

2. ábra: A numerikus szimulációkhoz használt geometriai modell és peremfeltételek

Eddigi eredmények

A bemutatott eredmények rövid csőben elhelyezett axiális ventilátorokra vonatkoznak.

 

A szívott oldali határrétegből származó zaj

A kutatás során kidolgozásra került egy módszer, amely lehetővé teszi a mikrofontömbös mérések és a korábban említett BPM modellből származó eredmények összehasonlítását axiálventilátorok esetén. Az összehasonlítást a következők nehezítik:

      I.        a BPM modell egyedül álló végtelen hosszúnak tekinthető szárnyra lett kifejlesztve, axiálventilátorok esetén azonban egy szárnymetszetekből álló lapátrácsról beszélhetünk, ahol a geometria a sugár mentén folyamatosan változhat,

    II.        a nyalábformálásból származó zajforrástérképeken még egyetlen zajforrás esetén sem zérus zaj értéket kapunk ott, ahol nincs forrásunk, hanem a mikrofontömb geometriája és a zajforrás pozíciója alapján kiszámolható pontszórásfüggvény által meghatározott eloszlást tapasztalunk. Több forrás esetén pedig a zajforrástérkép a pontszórásfüggvények szuperpozíciója lesz.

A kidolgozott módszerrel a ventilátor belépő sebességprofiljából és a lapátgeometriából a félempirikus modellek segítségével a szívott oldali határréteg vastagság sugár menti eloszlása meghatározható. Az így kapott határréteg vastagságeloszlását a BPM modellbe bevíve, majd a kapott zajforráserősség-eloszlás és a pontszórásfüggvények konvolúcióját véve az eredmények a ventilátor szívó oldala irányából elvégzett mikrofontömbös mérésekből származó zajforráserősségek átlagos sugár menti eloszlásával összehasonlíthatóak. (3. ábra)

 

3. ábra: A mikrofontömbös mérésekből (PAM) és a BPM modellből származó sugár menti zajforráserősség-eloszlások két esetre

 

Az eredmények alapján a BPM modell széles paramétertartományban, és mintegy 40 dB-t átfogó forráserősség-szint tartományban +/-3 dB bizonytalansággal visszaadja a mikrofontömbös mérésből származó eredményeket, ezzel bebizonyítva, hogy axiális átömlésű ventilátorok esetén is alkalmazható.

 

Résáramláshoz köthető zaj

Mint korábban említésre került, az axiálventilátorok zajforrástérképein (4. ábra) a lapátcsúcs környékén megjelenő zajforrások esetén nem állapítható meg egyértelműen, hogy a zajt a lapátcsúcsról leúszó résáramlás vagy a lapát belépőélénél keletkező turbulens rááramlás okozza-e . A bizonytalanság megszüntetésére a következő módszer került kidolgozásra:

      I.        Mikrofontömbös mérések elvégzése a ventilátor szívóoldala irányából

    II.        A mérés megismétlése úgy, hogy az egyik lapátot (a résáramlást mérséklendő) egy könnyű hajlékony lemezzel (pl. kartonlap) meghosszabbítjuk, ügyelve arra, hogy a csatornafalhoz a kiegészítés ne érjen hozzá.

   III.        A két mérés eredményeit összehasonlítva az látszik (4. ábra), hogy ha a második mérésből származó forrástérképeken a meghosszabbított lapátot követő lapátcsatornában (1-es címke a 4. ábrán) a zajforráserősség csökken, akkor a résáramlás okozza, ha nem, akkor a turbulens megfúvás. Amennyiben a meghosszabbított lapátot követő lapátcsatornában a zajforráserősség csökken (2-es címke a 4. ábrán), a zajképzésben a másodlagos résáram is szerepet játszik.

4. ábra: Axiálventilátor zajforrástérképe [dB] 4000 Hz-en, egységes résmérettel (bal oldal) és résméret kitakarással (jobb oldal) – a csökkentett résméretű lapátot fekete nyíl jelöli

 

A kutatások eredményeként arra is fény derült, hogy rövid csőben elhelyezett ventilátorok esetén a beszívó tölcsérek zajcsökkentő hatása is a résáramláshoz köthető.  A numerikus szimulációk alapján (5. ábra) a tölcsérnek köszönhetően a cső belépő keresztmetszeténél kialakuló pangó zóna megszűnik, és nagyobb axiálissebességű áramlás éri el a lapátcsúcsot, ezzel kiküszöböli a lapátcsúcs és a belépőél találkozásánál lévő erős zajforrást is, és jelentősen mérsékli a résáramlásból származó zajt. (6. ábra)

 

5. ábra: A lapát csúcsáról indított áramvonalak a beszívó tölcsér alkalmazása nélkül (bal oldal) és alkalmazásával (jobb oldal) - fekete nyíl: forgási irány, fehér nyíl: axiális irány

6. ábra: Axiálventilátor zajforrástérképe [dB] 5000 Hz-en, beszívó tölcsér alkalmazása nélkül (bal oldal) és beszívó tölcsér alkalmazásával (jobb oldal)

 

 

 

Várható impakt, további kutatás

 

A kutatás során elért eredményeknek köszönhetően az ipari körülmények között működő axiális átömlésű ventilátorok akusztikai-áramlástani diagnosztikája könnyebbé válhat, és az axiálventilátorok zajforrás-térképei könnyebben értelmezhetők. Az eredmények – a tanszéken folyó kutatásoknak köszönhetően – kiterjeszthetők csövekben elhelyezett axiálventilátorokra is, valamint repülőgép-hajtóművek esetén is alkalmazhatók.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Saját publikációk

[S1] Benedek, T., 2012. Mikrofontömbös akusztikai mérési módszerek a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan Tanszékén. Kolozsvár, Románia, OGÉT 2012 - Nemzetközi Gépészeti Találkozó.

[S2] Benedek, T., 2014. Axiális átömlésű ventilátor mikrofontömbös diagnosztikája a zajcsökkentés és a hatásfoknövelés érdekében. Energiagazdálkodás, 55(3), pp. 2-5.

[S3] Benedek, T. & Tóth, P., 2013. Beamforming Measurements of an Axial Flow Fan in an Industrial Environment. Periodica Polytechnica, Mechanical Engineering, 57(2), pp. 37-46.

[S4] Benedek, T. & Vad, J., 2014. Concerted Aerodynamic and Acoustic Diagnostics of an Axial Flow Industrial Fan, Involving the Phased Array Microphone Technique. Düsseldorf, Németország, ASME Turbo Expo 2014.

[S5] Benedek, T. & Vad, J., 2015a. Spatially Resolved Acoustic And Aerodynamic Studies Upstream And Downstream Of An Axial Flow Fan. Madrid, Spanyolország, ETC11 - European Turbomachinery Conference.

[S6] Benedek, T. & Vad, J., 2015b. Case-specific Empirical Guidelines For Simultenous Reduction Of Loss And Noise In Axial Flow Fans. Budapest, Magyarország, CMFF '15 - Conference on Modeling Fluid Flow.

[S7] Benedek, T. & Vad, J., 2016a. An industrial on-site methodology for combined acoustic-aerodynamic diagnostics of axial fans, involving the Phased Array Microphone technique. International Journal of Aeroacoustics.

[S8] Benedek, T. & Vad, J., 2016b. Study on the Effect of Inlet Geometry on the Noise of an Axial Fan, with Involvement of the Phased Array Microphone Technique. Szöul, Dél-Korea, ASME Turbo Expo 2016.

[S9] Kalmár-Nagy, T., Bak, B. D., Benedek, T. & Vad, J., 2015. Vibration and Noise of an Axial Flow Fan. Periodica Polytechnica - Mechanical Engineering, 59(3), pp. 109-113.

[S10] Vad, J., Halász, G. & Benedek, T., 2015. Efficiency gain of low-speed axial flow rotors due the forward sweep. Proceedings IMechE, Part A - Journal of Power and Energy, 229(1), pp. 16-23.

 

Hivatkozások listája.

[1] Raman, G. & mtsai., 2014. Remote detection of building air infiltration using a compact microphone array and advanced beamforming methods. Berlin, Németország, Berlin Beamforming Conference 2014.

[2] Lajos, T., 2015. Az Áramlástan Alapjai. ötödik kiadás. Budapest, Magyarország: Dr. Lajos Tamás

[3] Carolus, T., 2003. Ventilatoren. harmadik szerk. Németország: Teubner Verlag.

[4] Gruber, J., 1978. Ventilátorok. Budapest, Magyarország: Műszaki Könyvkiadó.

[5] Sijtsma, P., Oerlemens, S. & Holthusen, H., 2001. Location of Rotating Sources by Phased Array Measurements. Maastricht, Hollandia, 7th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference.

[6] Lieblein, L., 1965. Experimental Flow in Two-Dimensional Cascades. In: Design of Axial-Flow Compressors, Chapter VI. Washington D. C.: NASA SP-36.

[7] Howell, A. R., 1942. The present basis of axial flow compressor design: Part I, Cascade theory and performance. ARC R and M, 2095. kötet.

[8] Brooks, T. F., Pope, D. S. & Marcolini, M. A., 1989. Airfoil Self-Noise and Prediction, NASA Langley Research Center: NASA Reference Publiction 1218.