Simulation in der Ventilatorentechnik Schneller entwickeln

Vorstandsvorsitzender Peter Fenkl präsentiert den neuen Radialventilator ZAvblue.
Im Vorfeld simuliert: Vorstandsvorsitzender Peter Fenkl mit dem Radialventilator ZAvblue. Der bisherigen Volumenstrom wird nun mit Laufrädern erzeugt, die eine Baugröße kleiner sind.

Wann kommt Simulation in Aerodynamik, Akustik oder Motortechnik zum Einsatz? Wir haben bei Sepa Europe, Ziehl-Abegg und EBM Papst nachgefragt.

»Bei Kunden mit kleineren und mittleren Stückzahlen, bei denen sich der Aufwand einer Simulation nicht rechnet, steht bei uns immer noch das Experiment bzw. die tatsächliche Messung im Vordergrund«, sagt Robert Cap, Geschäftsführer von Sepa Europe. Diese führt Sepa selbst im Hause durch, eine eigene Geräuschmesskammer steht zur Verfügung.

»Bei großen Serienstückzahlen von Kühlkonzepten ist es sinnvoll auf Dienstleister für die Simulation zurückzugreifen«. Der gelegentliche Einsatz einer selbst gekauften, recht teuren und trainingsintensiven Software sei aus Sicht von Sepa Europe »zum gegenwärtigen Zeitpunkt« nicht effizient.

Für größere Unternehmen wie Ziehl-Abegg sind Strömungssimulationen ein wichtiger Bestandteil in der Zusammenarbeit mit dem Kunden und fester Bestandteile im Entwicklungsprozess. Dr. Walter Angelis: »Simulationswerkzeuge beschleunigen den Entwicklungsablauf und lassen ihn zielgerichtet ablaufen. Dadurch können Musterbaukosten in einem erheblichen Maß eingespart werden«.

Denn in der Praxis sei ein Ventilator-Projekt in den allermeisten Fällen ein Kompromiss aus fertigungstechnischen und strömungstechnischen Belangen.

Angelis: »Es kann vorkommen, dass unser Produkt nicht richtig zum Kundengerät passt. Dann können wir, falls das Kundenprodukt es noch zulässt, also noch kein Design-Freeze erreicht ist, mit dem Kunden zusammen CFD-Strömungssimulationen durchführen und somit schon in der Konzeptphase eine optimale Anpassung des Ventilators an das Kundengerät oder auch umgekehrt ermöglichen.«

Ein gutes Laufrad alleine verspreche schließlich noch keine gute Anwendung in einer Kälteanlage, so Angelis. Entscheidend sei vielmehr die Integration des Laufrades in das Gesamtsystem. Ungünstige Zu- oder Abströmbedingungen könnten dazu führen, dass der praktisch erreichbare Wirkungsgrad deutlich unterhalb der Leistungsangaben der Hersteller der Ventilatoren bleibe. In der Folge sei der Elektroenergieaufwand höher und im schlimmsten Fall werde der erwartete Luftvolumenstrom nicht erreicht.

Neben der Energieeffizienz spielt auch die Akustik eine entscheidende Rolle. »Speziell bei Luft-Luft-Wärmepumpen taucht zunehmend das Nachbarschaftsproblem auf. Zu hohe Schalldruckpegel speziell in der Nacht sind für die Akzeptanz der Wärmepumpen nicht besonders förderlich«, erklärt Angelis. Man arbeite daher mit den Kunden daran, das Gesamtkonzept von Anlagen zu verbessern.

Sehr hilfreich seien dazu hauseigene Messlabore wie der Ventilatorprüfstand am Stammsitz in Künzelsau. Mit ihm lassen sich luftseitige Ventilator-Förderkennlinie und der im jeweiligen Betriebspunkt auftretende Geräuschwert gleichzeitig vermessen. Auf Kundenwunsch auch die systembedingte Gerätekennlinie oder Ventilatoren im Kundengerät.

Im Strömungsbereich setzt Ziehl-Abegg dabei Computational Fluid Dynamics ein, im mechanischen Bereich Finite-Elemente-Methoden. »Diese Werkzeuge geben im Entwicklungsablauf schon bei Vorliegen des ersten Ventilatormodells im CAD wertvolle Hinweise über die späteren Leistungsparameter«, erklärt Angelis. Es sei Stand der Technik, dass diese CAD-Modelle über standardisierte Dateiformate und Schnittstellen mit den Kunden in beiden Richtungen ausgetauscht würden.

Auch bei EBM Papst sind Simulationswerkzeuge in der modernen Entwicklungsarbeit »nicht wegzudenken«, wie Dr. Bruno Lindl, Geschäftsführer Forschung und Entwicklung der EBM Papst Gruppe betont. Sein Unternehmen investiere »intensiv« in Simulationswerkzeuge und Mess- und Testlabore.

Welche Simulationswerkzeuge kommen zum Einsatz?

»In den Bereichen Aerodynamik, Motortechnik und Elektronik setzen wir unterschiedliche Simulationswerkzeuge ein. Zum einen um die Entwicklungszeit zu verkürzen und zum anderen zeigen diese Methoden technologische Potentiale auf, die sonst verborgen blieben. Beispiele sind: Die Finite-Elemente-Simulation, die mechanische Festigkeit, statisch und dynamisch, von Gehäuse und Motor berechnet. Mit der CFD-Simulation werden aerodynamische Eigenschaften von Laufrädern errechnet.

Der RadiCal, ein Radialventilator für viele Anwendungen in der Luft- und Klimatechnik, beispielsweise bei der Schaltschrankkühlung, in Kanal- und Rohrventilatoren, in Wohnungslüftungsgeräten oder in Wärmepumpen war unser erstes 'synthetisch' entwickeltes Produkt, d. h. es wurde ohne konventionelle Prototypenoptimierung realisiert. Konzepte für Steuerungs- und Regelelektronik werden über funktionale und thermische Simulation entwickelt. Die Motorauslegung erfolgt mit Simulationswerkzeugen für statischen und dynamischen Elektromagnetismus.«