Ein Beitrag zum Ausbreitungsverhalten modaler Schallfelder in Niederdruckturbinen

Abstract

Die Reduzierung der Lärmemission ist eine zentrale Herausforderung in der Entwicklung moderner Flugtriebwerke. Dazu ist das physikalische Verständnis der Lärmentstehungs- und Transportmechanismen innerhalb der Antriebe notwendig. Aus diesem Grund widmet sich die vorliegende Arbeit der Untersuchung des Ausbreitungsverhaltens Rotor-asynchron in eine Niederdruckturbine eingekoppelter Schallfelder. Experimente zeigen, dass die Turbinen-internen Schallfelder durch die vielfache Überlagerung von drehenden, stehenden und partiell stehenden Moden geprägt sind, die gerade bei einer Rotor-asynchronen Anregung in besonders komplexer Form auftreten. So werden in dieser Arbeit zunächst die wesentlichen physikalischen Mechanismen des Ausbreitungsverhaltens akustischer Moden in Rohrleitung unter Berücksichtigung überlagerter Strömungs- und Drallfelder herausgearbeitet. Ein Schwerpunkt liegt auf der Behandlung stehender, partiell stehender sowie mehrfach überlagerter Azimutalmoden. Dazu werden unter anderem theoretische Betrachtungen angestellt, die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von überlagerten Modenstrukturen zu bestimmen. Diese folgen nicht mehr den klassischen Ansätzen der Phasen- und Gruppengeschwindigkeit, sondern ergeben sich vielmehr als eine speziell gemittelte Gesamtgeschwindigkeit, die eine charakteristische Größe der Ausbreitung überlagerter Wellenfelder ist. Darauf aufbauend werden Verfahren entwickelt, experimentell gemessene Schallfelder in ihre modalen Bestandteile zu zerlegen und zu analysieren, wobei insbesondere auf die Bestimmung der modalen Phasenbeziehungen und der Teilmodenverhältnisse eingegangen wird. Es ist das Ziel, einen hybriden Analyseansatz zu entwickeln, der zur Auswertung sowohl auf die Ergebnisse experimenteller Messungen als auch auf die Ergebnisse analytischer Berechnungen zurückgreift. Es wird demonstriert, dass man mit Hilfe dieses Verfahrens komplexe Schallfelder auf Basis weniger Stützstellen experimenteller Messdaten berechnen kann, um so eine vollständige Schallfeldanalyse durchzuführen. Kern dieser Berechnungsverfahren ist ein analytisches Schalltransportmodell, das die Ausbreitung beliebig überlagerter Moden in Ring- und Kreisringkanälen unter Berücksichtigung einer überlagerten Haupt- und Drallströmung bestimmt. Sowohl das Transportmodell als auch die entwickelten Analyseverfahren werden zunächst mit Hilfe experimenteller Versuche in einem aeroakustischen Windkanal für Rohranwendungen validiert und erprobt, bevor sie für akustische Untersuchungen in einer Versuchsturbine eingesetzt werden. Dabei wird das Ausbreitungsverhalten Rotor-asynchron in den Eintritt einer ein- und zweistufigen Versuchsturbine eingekoppelter Schallfelder untersucht. Es zeigt sich, dass abhängig von der Anregungsfrequenz, ganz charakteristische Ausbreitungseigenschaften der Schallfelder auftreten, während Drehzahleffekte nur von untergeordneter Bedeutung sind. Die gewonnenen Erkenntnisse zum Transport- und Transmissionsverhalten werden vorgestellt, diskutiert und entsprechende Schlussfolgerungen gezogen.