Rotordynamik und Festigkeitsberechnung (FKM) mit CADFEM ihf Toolbox

Luwa Air Engineering AG ist der führende Anbieter von industriellen lufttechnischen Systemen. Die Bedeutung von Energieeffizienz in der Luwa-Produktpalette spiegelt sich in dem neu entwickelten Axialventilator B600 wider, der Bestmarken in der aerodynamischen Effizienz setzt. Axialventilatoren für Zuluft und Abluft sind die Hauptverbraucher von elektrischer Energie in Spinnereien und Webereien: In einer Spinnerei beträgt dieser Anteil etwa 55 % und in einer Weberei bis zu 75 % des gesamten Stromverbrauchs der Klima- und Filtrationsanlagen. Das Ziel für die neue Generation der Luwa Axialventilatoren war ein geringerer Stromverbrauch, eine höhere Ventilatorleistung und ein niedrigerer Geräuschpegel. CADFEM wurde beauftragt, die strukturelle Integrität der Ventilatorflügel zu untersuchen. Im Betrieb dürfen die Schaufeln nicht in Resonanz geraten, während sie zentrifugalen und aerodynamischen Belastungen ausgesetzt sind.

Die Luwa Air Engineering AG konnte das Design um ca. 4 % verbessern, was zu einem um 1,2 MW geringeren Energieverbrauch aller installierten Ventilatoren pro Jahr führt. Die rotordynamische Stabilität und strukturelle Integrität wurde ohne langwierige physikalische Prototyping- und Testzyklen erreicht. Darüber hinaus sind die Prototypen- und Personalkosten, für die sonst üblichen fünf erforderlichen Design-Iterationen, entfallen, was einer Einsparung von mehr als 80'000 € entspricht. Durch die Simulation sind Resonanzprobleme von vornherein ausgeschlossen worden. Außerdem konnte ein tieferer Einblick in das Verhalten des Gesamtsystems gewonnen werden, als dies durch Tests möglich gewesen wäre.

Um Resonanzen zu vermeiden, wurde das rotordynamische Verhalten durch Modalanalyse unter Einbeziehung gyroskopischer Effekte untersucht. Die berechneten Eigenmoden wurden anschließend mit Hilfe des Campell- und SAFE-Diagramms beurteilt, um Wechselwirkungen zwischen Drehzahl, Scheibenknotendurchmesser und Schaufeleigenfrequenzen auszuschließen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden mehrere Geometrieentwicklungen der Schaufel untersucht. Als das dynamische Verhalten ausreichend war, konnte der Festigkeitsnachweis durchgeführt werden. Im ersten Belastungsschritt wurde eine Schraubenvorspannung aufgebracht, um die Montage des Ventilatorlaufrades zu simulieren. Im zweiten Belastungsschritt sind die Rotationsgeschwindigkeit und die mit ANSYS CFX berechneten aerodynamischen Druckwerte eingebracht worden. Die berechneten Spannungen wurden mit WB/FKM aus der CADFEM ihf Toolbox ausgewertet. WB/FKM ist eine Implementierung der FKM-Richtlinie "Analytical Strength Assessment" innerhalb von ANSYS Mechanical Workbench und bietet eine automatisierte Bewertung der statischen und Ermüdungsauslastung über die gesamte Fläche.