Breitbandlärmentstehung aufgrund von instationären Spaltwirbelsystemen an einer Axialverdichter-Statorstufe

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Elvira Waltz
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Enghardt DLR, Institut für Antriebstechnik, Abt.

1 Breitbandlärmentstehung aufgrund von instationären Spaltwirbelsystemen an einer Axialverdichter-Statorstufe Benjamin Pardowitz, Ulf Tapken, Lars Enghardt DLR, Institut für Antriebstechnik, Abt. Triebwerksakustik (Berlin) Workshop Strömungsakustik von DGLR, DEGA und X-NOISE, November 2011 in Berlin Folie 1

2 Gliederung Hintergrund Phänomen Rotierende Instabilität Experimentelle Untersuchungen Vorstellung des Prüfstands Grundlegende akustische Effekte Sensoranordnung Akustischen Eigenschaften im Nahfeld Abgestrahltes Schallfeld Fazit Folie 2

3 Hintergrund Zukünftige lärmreduzierte Designs von Triebwerkskomponenten erfordern ein vertieftes Verständnis der Breitbandlärmentstehung Quellen besitzen komplexe Abhängigkeiten von Geometrie und Strömungszuständen Blattspitzenwirbellärm als dominante Lärmquelle bei Off-Design- Betriebspunkten, verursacht durch die so genannte Rotierende Instabilität (RI) DFG-Forschungsverbund mit den Fachgebieten Luftfahrtantriebe, Numerische Fluiddynamik und Fluidsystemdynamik der TU Berlin: Strömungsinduzierter Schall in Turbomaschinen - Die Rotierende Instabilität Teilprojekt: Untersuchung der Schallentstehung an einem stehenden Ringgitter mit drallbehafteter Zuströmung Folie 3

Phänomen Rotierende Instabilität RI als ausgeprägt instationäres Spaltwirbelsystem Umlaufender Effekt Mehrpassagenphänomen Unterschiede bzw.

4 Phänomen Rotierende Instabilität RI als ausgeprägt instationäres Spaltwirbelsystem Umlaufender Effekt Mehrpassagenphänomen Unterschiede bzw. Abgrenzung zu Rotating stall Darstellung des Spaltwirbels aus numerischen LES Rechnungen [Donghyun et al.] Modellvorstellung RI [Mailach et al.][kameier][märz] Folie 4

5 Prüfstand mit Axialverdichter Stator-Stufe Besteht aus: Einlauf / Drallgeber / Verdichtergitter / Streben / Drossel Schaufelreihen besitzen Nabenspalt aufgrund der Winkelverstellung Strömungsfeld repräsentativ für Stufe eines mehrstufigen Axialverdichters Verdichterschaufelprofil Folie 5

Eindruck nach ersten Messungen Komplexe spektrale Charakteristik in Abhängigkeit der Betriebzustände im Prüfstand mit vielfältigen Amplitudenüberhöhungen und Welligkeiten Überlagerung von Quellen an

6 Eindruck nach ersten Messungen Komplexe spektrale Charakteristik in Abhängigkeit der Betriebzustände im Prüfstand mit vielfältigen Amplitudenüberhöhungen und Welligkeiten Überlagerung von Quellen an verschiedenen Positionen mit unterschiedlichen Mechanismen DG Power-Spektren gemittelt über 10 Kulites M_anstr. = 0.6 / Re_anstr. = / Drallgeber (DG) variiert von 27 bis 45 / VG 25 / Drossel angepasst Folie 6

7 Mechanismen der Schallentstehung Turbulenz in der Zuströmung Schaufelhinterkante (Grenzschicht & Wirbelablösung), Schaufeloberfläche (Strömungsabriss) Nabenspalt (Blattspitzenwirbel) Interaktion dieser verschiedenen Mechanismen Resonanzen / Cut-On Frequenzen abhängig von Geometrie u. Drall Folie 7

8 Sensoranordnung zur Analyse des akustischen Nahfelds Mikrofonarrays vor und hinter der Axialverdichter-Statorstufe Referenzsensoren in Nabenspaltnähe Hier Ergebnisse von: 3 Kulitesensoren (10mm vor LE) 30 Mikrofone stromauf (48mm vor LE) Analysen per Auto-, Kreuzkorrelation und Azimutalmodezerlegung Folie 8

9 Analyse im Nabenspaltbereich Autoleistungsspektrum, Betrag und Phase des Kohärenzspektrums für einen Betriebspunkt mit detektierter RI f 55Hz a b c M anstr = 0.4 / Re anstr = / DG Winkel = 50 Folie 9

10 Nachweis der RI per Kreuzkorrelationen im Nahfeld Ungefilterte (rot) und gefilterte (schwarz) Signale (Bandpass Hz) zwischen a:a zwischen a:b a b c Ω rot 55Hz T = 1/Ω rot zwischen a:c Folie 10

Analyse der azimutalen Schallfeldstruktur Vergleich zwischen den Nabensensoren und dem Mikrofonarray stromauf des Verdichtergitters 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7

11 Analyse der azimutalen Schallfeldstruktur Vergleich zwischen den Nabensensoren und dem Mikrofonarray stromauf des Verdichtergitters Azimutalmodenanalyse stromauf des VG Ergebnisse in Übereinstimmung mit dem für Rotoren entwickelten Modell [Kameier und Neise] M anstr = 0.4 / Re anstr = / DG Winkel = 50 Folie 11

12 Fazit & Ausblick Rotierende Instabilität wurde im Stator mit Nabenspalt nachgewiesen Korrelations- und Azimutalmodenanalysen ermöglichen nähere Charakterisierung des Quellmechanismus Der signifikante Einfluss von weiteren Quellen und Resonanzen zwischen den Schaufelreihen und innerhalb der gesamten Prüfstandsanordnung muss in Datenanalysen und Modellbildung berücksichtigt werden Vertiefende akustische Untersuchungen: Was ist der genaue Wirkmechanismus der RI? Welchen Anteil hat die RI an der Breitbandlärmentstehung? Trennung von Quellbeiträgen und eine Quelllokalisierung Kombination mit Hitzdrahtmessungen und PIV-Messungen (TU-B.) Gegenüberstellung mit numerischen Simulationen (TU-B.) Folie 12

13 Vielen Dank! Folie 13

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