Auf der Suche nach der optimalen Strömung

Im Bereich der Ventilatoren gibt es Handlungs­bedarf. Grund ist eine EU-Verordnung, die immer strengere Anforderungen an die Energie­effizienz für diese Maschinen vorschreibt. „Der Mindest­wirkungsgrad wird vom Gesetzgeber mit der Zeit systematisch erhöht“, sagt Manuel Fritsche. „Das stellt für Ventilatoren­hersteller eine ernstzunehmende technische Herausforderung dar.“ Fritsche sitzt an einem Rechner im Labor für Strömungsmechanik der Hochschule Coburg; die beiden großen Bildschirme vor ihm zeigen numerische Strömungs­simulationen. Um sie darzustellen, wird berechnet, wie verschiedene Faktoren die Luftströmung am Ventilator beeinflussen.

„Strömungen sind komplexe Vorgänge: Da gibt’s Turbulenz, Drei­dimensionalität, Instationarität.“ Vom Zusammenspiel hängt ab, wie Luftströme fließen. Wenn zum Beispiel am Ventila­toren-Blatt eine Verwirbelung entsteht, wird die Energie nicht gut umgesetzt; der Wirkungsgrad ist schlecht. Im Idealfall strömt die Luft einfach entlang der Schaufel des Ventilators. „Wie die optimale Strömungs­führung ist, haben sich Ingenieure und Ingenieurinnen schon früher überlegt“, berichtet Fritsche. „Man hat dann mehrere Prototypen erstellt und getestet, was am besten funktioniert.“ Seit etwa zwanzig Jahren verlagern sich diese Tests immer mehr in Computersimulationen und statt wie früher ein paar Prototypen zu bauen, hat der 34-Jährige für seine Doktorarbeit tausende Simulationen durchgeführt. 

Bei den altbekannten Auslegungsverfahren wird von einer zylindrischen Nabenform und aerodynamisch profilierten Schaufeln ausgegangen, für die empirische Profildaten benötigt werden. Niederdruck-Axial­ventilatoren werden in der industriellen Praxis aus Kosten- und Fertigungsgründen allerdings meist mit dreidimensional gebogenen Schaufeln aus gleichbleibend dickem Blech hergestellt. Dafür hat Fritsche eine „Simulations­getriebene Auslegungs- und Optimierungs­strategie für den Anwendungsfall eines Axial­ventilators mit Leitapparat“ entwickelt. Für die überdurch­schnittliche Leistung dieser Doktorarbeit wurde er mit „Magna Cum Laude“ ausgezeichnet. Betreut wurde die kooperative Promotion an der Fakultät Maschinenbau und Automobil­technik der Hochschule Coburg von Philipp Epple, Leiter des Labors für Strömung­smechanik, sowie von Antonio Delgado vom Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 

Mit Hilfe von Prototypen eines Industrie­partners wurde Fritsches neues Auslegungs- und Optimierungs­verfahren validiert. „Als Handmuster hat mir außerdem das Institut für Prototypen- und Modelltechnik der Hochschule Coburg Ventilatoren im 3D-Druckverfahren erstellt“, ergänzt der Doktorand. Auf Basis seiner Forschung können Axial­ventilatoren nun mit nennenswerten Wirkungsgrad­steigerungen und optimiertem Betriebsverhalten ausgelegt werden. Das trägt dazu bei, die künftig strengere EU-Richtlinie zu erfüllen. Überall dort, wo wie im Parkhaus oder Einkaufs­zentrum große Lüftungs­anlagen eingesetzt werden, kann das entwickelte Verfahren die Energie­effizienz von Ventilatoren verbessern – und das trifft den eigentlichen Kern der manchmal sperrigen Verordnungen der EU. Es ist ein Beitrag zum Klimaschutz

HS Coburg / JOL