Axial, diagonal, radial?

von Dr.-Ing. Michael B. Schmitz, Leitung Forschung und Entwicklung Aerodynamik und Simulation ebm-papst St. Georgen

Warum es verschiedene Lüfterformen gibt

Kurz gesagt, soll ein Lüfter Luft bewegen, einen bestimmten Druck erzeugen, und das möglichst effizient und leise. Um zum Beispiel elektronische Bauteile zu kühlen, benötigt man kalte Luft, die die Wärme aufnimmt, und Druck, der sie gegen den Widerstand durch das Bauteil abführt. Für viele Anwendungsfälle sind Ventilatoren die beste Option hinsichtlich Geräusch und Wirkungsgrad. Zudem besitzen sie wenig bewegte Teile und generieren einen kontinuierlichen Luftstrom bei kleinstem Bauraum. Um zu verstehen, ob für eine bestimmte Anwendung ein Axial-, Radial- oder Diagonallüfter optimal ist, soll kurz die prinzipielle Funktionsweise beschrieben werden.

Der Druck entscheidet

In Axiallüftern entsteht der Druckaufbau dadurch, dass die einströmende Luft durch die Schaufeln umgelenkt wird und den Lüfter auf spiralförmigen Bahnen verlässt. Dabei hängt der Druckaufbau ab vom Winkel, den die Luftströmung relativ zum Schaufelprofil bildet. Soll mehr Druck erreicht werden, muss dieser Winkel vergrößert werden. Dieses Prinzip hat seine Grenzen: Wird der Anströmwinkel zu groß, reißt die Profilströmung ab und der Lüfter arbeitet ineffizient und mit mehr Geräusch.

Wird mehr Druck benötigt, werden Lüfter eingesetzt, die zusätzlich zu den beschriebenen Effekten die Zentrifugalkräfte benutzen. Wie in jedem rotierenden System ist auch die Luft im Lüfterrad Zentrifugalkräften ausgesetzt, die sie nach außen schleudern. Werden Axiallüfter bei kleinen Volumenströmen betrieben, blockiert ein Teil der Luft den Schaufelkanal und zwingt die durchströmende Luft auf eine radiale Bahn durch den Lüfter. Die Zentrifugalkräfte sind dann zunehmend am Druckaufbau beteiligt. Der Axiallüfter verhält sich in diesem Betriebsbereich ähnlich wie ein Radialventilator.

Entsprechend kommen dann Diagonal- oder Radialventilatoren zum Einsatz, wenn relativ zum Volumenstrom mehr Druckaufbau benötigt wird. Bei reinen Radiallüftern ist der Zentrifugaleffekt sogar der dominierende Mechanismus, den es gilt bestmöglich umzusetzen. Bei gleichem Radaußendurchmesser und gleicher Drehzahl können Radialventilatoren wesentlich höhere Drücke erreichen als Axialventilatoren, deren Anwendungsbereich immer da ist, wo relativ große Luftmengen mit minimalem Aufwand bewegt werden müssen.

Neue Messtechnik

Mit diesen grundsätzlichen Überlegungen kann dann der Lüfter aerodynamisch ausgelegt und optimiert werden. Dazu wurden in der Vergangenheit experimentelle Methoden entwickelt und verfeinert, die zusammen mit mathematischen Modellen auch heute noch die Grundlage der Lüfterentwicklung bilden.
Heute werden zunehmend computergestützte Methoden angewendet, die es erlauben, sogenannte numerische Experimente durchzuführen. Computational Fluid Dynamic (CFD) wird überall dort eingesetzt, wo Stoff- und Wärmetransportaufgaben zu lösen sind.

Prinzipiell kann mit CFD ein Lüfter nur mit den Vorgaben für Volumenstrom und Druck ausgelegt werden. Die Optimierung einzelner Lüfterkomponenten sowie des Gesamtsystems sind heute die Designziele hin zu leiseren und effizienteren Produkten. Beispiele dafür sind die verwundenen Blätter moderner Lüfter oder spezifische Blattspitzenformen. heute ist es möglich, Lüfter für spezifische Anwendungen auszulegen und entsprechend optimierte Systeme zu realisieren. Die Stärken von CFD sind die einfache Variantenänderung und die detaillierte Analyse der Strömung. Damit haben sich auch die Anforderungen an die Messtechnik verändert. Experimente werden heute nicht nur im Auslegeprozess benötigt, sondern dienen auch zum Nachweis und als Auswahlkriterium für zuvor berechnete Varianten neuer Lüfterkonzepte.

Dr.-Ing. Michael B. Schmitz, Leitung Forschung und Entwicklung Aerodynamik und Simulation ebm-papst St. Georgen