Mycket har hänt tekniskt inom fläktområdet under de senaste åren. Nuförtiden är högeffektiva och aerodynamiskt optimerade EC-fläktar tekniskt ledande och de är något av ett självklart val i många olika kyl- och luftkonditioneringsapplikationer. Samtidigt finns det utrymme för ytterligare tekniska optimeringar eftersom kvaliteten på en fläkt inte enbart styrs av exempelvis effektivitet och luftflödeskapacitet. En fläkts ljudnivå är också en avgörande aspekt. Ljudnivån är dock ett mycket komplicerat fenomen eftersom uppfattningen om fläktars ljudnivåer kan påverkas av många olika ljudkällor samtidigt, och det är ofta inte lätt att skilja dessa åt. Det faktum att installationssituationen också måste beaktas gör det desto svårare. Omfattande akustiska testar är därför en väsentlig del av ebm-papst satsningar på att utveckla den idealiska fläkten.
Det är alltså inte en lätt uppgift att spåra ljudkällor hos fläktar. Medan relativt avancerade aerodynamiska simuleringsprogram nu finns tillgängliga och har blivit etablerade på marknaden, är simuleringen av aeroakustik fortfarande i ett inledande forskningsskede. Antalet celler som behövs för den erforderliga rumsliga indelningen av små strukturer är mycket högre än i fallet med aerodynamisk simulering. För en fläkt i speciella flödessituationer kan siffran till och med vara så hög som tiotals eller hundratals miljoner. En annan nödvändighet är högtidsupplösning, vanligtvis med intervaller på cirka 10 mikrosekunder. Detta kräver stora beräkningsresurser vilket i sin tur är både kostnads- och tidskrävande. Det förklarar varför, när det gäller fläktar avseende akustik, bara är större turbulenta strukturer som idag finns tillgängliga. Även med dessa begränsningar är utgifterna betydande och ett intensivt arbete pågår för att hitta olika sätt att minska beräkningsmängderna. Olika experimentella processer och metoder är till stor hjälp i detta arbete.
80 mikrofoner på fläktens inloppssida
Ett exempel på en experimentell metod som ebm-papst använder för att lokalisera ljudkällor är en ”strålformningsmetod” (Beamformning process). Metoden kompletterar komplex aeroakustisk simulering. Principen för denna metod är en cirkulär mikrofonuppsättning med 80 mikrofoner monterade på två nivåer. Mikrofonuppsättningen används på en fläkts inloppssida för att mäta skillnaderna i utbredningstiden för ljudvågorna till var och en av mikrofonerna. Sofistikerade algoritmer utvärderar sedan de data som erhållits under en period av 30 sekunder med en känd fläkthastighet. Resultaten visar att det är möjligt att med metoden upptäcka samma ljudtrender som med aeroakustisk simulering. De experimentella resultaten möjliggör således också kontroll och optimering av den aeroakustiska simuleringen.
Utvärderingarna avslöjar två dominerande ljudkällor hos en axialfläkt: det luftflöde som uppstår i gapet mellan blad- och fläktkåpan, och den så kallade inflödesturbulensen. Vid gapet mellan blad- och fläktkåpan får skillnaden i tryck mellan utlopps- och inloppssidan luft att strömma över fläktbladens yttersta del. Flödet samverkar med de kanter som finns mellan fläktbladens yta och den omgivande fläktväggen. Luftvirvlar kan då bildas och dessa kan under vissa förutsättningar höja ljudnivån med upp till 10 dB. Inflödeturbulens skapar ofta problem i de fall där fläkten är innesluten. En inneslutning, liknande den som till exempel används för värmeväxlare, valdes för att utföra tester med mikrofonuppsättningen. Testerna visade att återflöden av luft orsakar turbulens vid inneslutningens väggar. De virvlar som uppstår och orsakar turbulensen dras sedan mot de punkter där avståndet mellan fläkt och vägg är som smalast. Dessa “virvelsträngar” orsakar sedan en betydande turbulens. Som ett resultat av detta uppstår avsevärda fluktuationer i tryck och hastighet vid fläktbladets främre kant vilket ibland resulterar i dramatiskt ökat brus och detta speciellt i lågfrekventa områden. Detta har formen av både bredbandsbrus och andra smala ljudkomponenter som ibland kallas fläktbladpasserande brus. Alla har säkert någon gång stött på det obehagliga ”brummande” bruset som är typiskt för detta ljudfenomen.
Processen från att hitta orsakerna till störande ljud till att ta fram en lösning
När ljudkällorna har lokaliserats kan åtgärder vidtas för att förbättra fläktarnas aeroakustik. Storleken på mellanrummet mellan fläktbladens spets och fläkthuset visade sig ha ett betydande inflytande på bullerbeteendet. Ljudnivån minskar med ett mindre gap, men produktionsrelaterade krav gör att mellanrummet inte kan minskas bortom en viss punkt på grund av risken för att fläktbladet kan slå i fläkthuset. Det är här winglets kan få stor betydelse. Med winglets ökar flödesmotståndet i utrymmet mellan fläktbladet och höljet vilket reducerar det ljud som uppstår när virvlande luftströmmar träffar fasta ytor. Som ett resultat kan ljudnivån reduceras med upp till 10 dB. Geometriska modifieringar av fläkten enbart är emellertid inte tillräckliga för att minska inflödesturbulensen. Dessutom är det inte heller särskilt framgångsrikt att isolera höljet eftersom isolerade paneler normalt sett är som mest effektiva vid högre frekvenser och inte har någon större effekt på lågfrekventa ljud.
Ett annat tillvägagångssätt är mer lovande. Genom att styra luftinflödet till fläkten kan turbulensen reduceras och därmed också det irriterande lågfrekventa ljudet som det genererar. För detta ändamål har ebm-papst utvecklat inloppsgallret FlowGrid som fungerar som en flödesriktare för insugningsluften. Inloppsgallret stabiliserar luftströmmarna vid fläktens inlopp och ger därmed en lägre ljudnivå. Detta minskar dramatiskt brusgenererande störningar och FlowGrid är lika effektivt både för axial- och centrifugalfläktar. Oavsett konstruktions- och applikationsförhållanden blir det därmed möjligt att uppnå ljudvärden som är jämförbara med dem som uppnås vid fläktdrift under laboratorietestförhållanden. Aeroakustisk testning har därmed visat sitt värde som ett sätt att optimera fläktars ljudnivåer. ebm-papst bedriver omfattande forskning och utveckling inom detta område och i framtiden kommer fläktarna att stegvis bli från ebm-papst ännu tystare.
