Verdichter und Ventilatoren spielen eine zentrale Rolle in verschiedensten Bereichen und sind wesentliche Komponenten für Belüftungs- und Kühlprozesse, in Produktionsprozessen, bei Verbrennungsprozessen oder bei der Erzeugung von Luftströmung in Windkanälen. Die allgemeine Zielsetzung der Kostensenkung, Reduzierung des Energieverbrauchs und Steigerung des Wirkungsgrads technischer Anlagen sowie die Minderung der Umweltauswirkungen gelten gleichermaßen für Verdichter und Ventilatoren. Die Steigerung von Effizienz und Leistungsfähigkeit ist ein bedeutendes Industrieziel. Verbesserte Verdichter Effizienz führt unmittelbar zu reduzierten Betriebskosten, minimiertem Energieverbrauch und geringeren Umweltauswirkungen. Die erreichbaren Effizienzsteigerungen durch kontinuierliche Verbesserungen von bereits hochentwickelten Anlagen sind gering und nähern sich einem Grenzwert. In solchen Entwicklungsstufen sind bedeutende Verbesserungen nur durch neue Innovationen und Technologien möglich.

Das Potenzial von Riblet-Oberflächen zur Verringerung der viskosen Reibung in turbulenten Strömungen und zur Steigerung der Effizienz entsprechender Anlagen ist nachweislich signifikant. In Bezug auf industrielle Verdichter und Ventilatoren ermöglicht die Anwendung von Riblets Leistungssteigerungen, die durch andere Maßnahmen kaum erreichbar sind. Im Verlauf dieses Projekts haben wir gemeinsam mit TLT-Turbo die Anwendung von Riblets auf den Schaufelblättern einer Hochleistungs-Axialventilatorstufe untersucht. Ausgehend von umfangreichen CFD-Simulationen wurde ein optimales Riblet-Design entwickelt. Nach der Applizierung der Oberflächenstrukturen wurden die Auswirkungen der Riblets auf die Ventilator-Stufe für unterschiedliche Leistungsbereiche untersucht. Dabei wurden im Wesentlichen Variationen der Schaufelwinkel, Rotationsgeschwindigkeiten und Beklebungen mit Ribletfolie berücksichtigt.

Für die bestmögliche Konfiguration der Riblets beginnt der Designprozess mit einer Basissimulation, das heißt mit der numerischen Analyse des grundlegenden Axial-Verdichters. Diese numerische Untersuchung begann mit einer stationären RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) Simulation eines einzelnen Rechenbereichs mittels Mixing Plane Model zwischen Rotor und Stator und einem10 Millionen Hex-Zellen-Netz. Für die stationäre Simulation wurde ein Transitionsmodell verwendet, um die Transitionsstelle am Rotor und am Stator zu bestimmen. Um die Genauigkeit der Ergebnisse weiter zu verbessern, wurde ein zweites Setup mit einer Large Eddy Simulation (LES) durchgeführt. Drei verschiedene Betriebspunkte wurden für den Schaufelwinkel berechnet: der Auslegungspunkt, ein Betriebspunkt mit niedrigem Durchfluss und ein Betriebspunkt mit hohem Durchfluss. Um die ideale Riblet-Größe genau zu berechnen, wurde die Grenzschicht mit einem y+ von unter 1 aufgelöst. Das resultierende Strömungsfeld ermöglicht die Auslegung der idealen Riblet-Größe für die gegebene Geometrie und den Durchfluss mithilfe unseres intern entwickelten Riblet Algorithmus. Aus dieser optimalen Konfiguration wird eine realisierbare Verteilung der Riblet-Größen abgeleitet. Die reale Verteilung zielt darauf ab, die höchstmöglichen Leistungssteigerung durch Anwendung von Riblet Folie mit einer konstanten Struktur Größe zu erzielen.

Die Messergebnisse zeigen eine deutliche Effizienzsteigerung am Auslegungspunkt der Anlage bei Verwendung von Riblet-Oberflächen. Auch die Betriebspunkte abseits der Auslegungspunkte wurden durch die angewandten Riblets signifikant beeinflusst. Die höchste Gesamteffizienz wurde mittels glatter Folie an der Vorderkante der Schaufelblätter und Riblets an den Druck- und Saugseiten der Rotor- und Statorschaufelblätter erreicht.

Die Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse zur Leistungsoptimierung von Rotationsmaschinen durch Riblet-Anwendungen. Dieses Projekt hat das Potential von Riblet Oberflächen zur Steigerung der Leistung von Axial-Ventilatoren erfolgreich gezeigt und die Technologiereife für umfangreiche industrielle Anwendungen bewiesen. Angesichts des ausgeschöpften Optimierungspotenzials von Strömungsmaschinen insgesamt stellt die gemessene Effizienzsteigerung einen bedeutenden Fortschritt dar. Zudem dient dieses Projekt als erfolgreiches Anwendungsbeispiel für zukünftige Riblet-Anwendungen in Ventilatoranwendungen.