Transport akustischer Moden durch einen mehrstufigen Axialverdichter

Abstract

In der Entwicklung aktueller Triebwerkskonzepte, ist vor allem die Lärmreduzierung eintreibender Auslegungsfaktor. In den letzten Dekaden konnte bereits eine signifikante Reduzierung des Strahl- und Fanlärms erzielt werden. Daher rückt nun das Kerntriebwerk und damit der Niederdruckverdichter in den Fokus akustischer Forschungsbemühungen. Die Entwicklung effektiver Lärmminderungskonzepte setzt das Verständnis der Schallentstehung und der akustischen Transportprozesse im Verdichter voraus. Die tonalen Anteile im Schallfeld einer axialen Turbomaschine werden durch die Ausprägung der akustischen Moden bestimmt, die durch die Interaktion der Schaufelreihen (Rotor-Stator-Interaktion, RSI) miteinander generiert werden. In der Vergangenheit wurde hauptsächlich der Transport ausbreitungsfähiger Rotor-Stator-Interaktionsmoden (Cut-On-Moden) untersucht. Diese Beschränkung ist für eine Vorhersage des Gesamtschallfeldes eines mehrstufigen Axialverdichters nicht ausreichend. Daher werden in der vorliegenden Arbeit sowohl Transitionsmoden, die in der Maschine zwischen ausbreitungsfähig und nicht-ausbreitungsfähig wechseln, als auch Streumoden in den akustischen Untersuchungen berücksichtigt.

Die Untersuchung der Schallentstehung durch Rotor-Stator-Interaktion und des Schalltransportes geschieht anhand des numerischen Simulationsmodells eines 4,5-stufigen Axialverdichters. Die Erstellung des numerischen Gitters erfolgt anhand aerodynamischer und aeroakustischer Anforderungen. Eine effiziente Simulation der Schallentstehung und des Transportes ist mit dem Harmonic Balance Verfahren möglich. Die Zerlegung des Schallfeldes in seine modalen Anteile wird mittels einer Radialmodenanalyse durchgeführt.

Die Simulationen des modalen Schalltransportes zeigen, dass der Energiegehalt der Cut-On- und Transitionsmoden während des Transportes durch die Schaufelreihen maßgeblich durch die Transition der Azimutal- oder Radialmoden von cut-off zu cut-on bestimmt wird. An den Cut-Off/Cut-On-Transitionspunkten kann es zu einem Schallleistungsgewinn kommen. Somit können auch Transitionsmoden Schallleistungspegel in der Größenordnung der Cut-On-Moden am Eintritt des Verdichters aufweisen. Die Streuung der Cut-On-, Cut-Off- und Transitionsmoden generiert vor allem an den Rotoren energiereiche Streumoden, die mit hohen Schallleistungspegeln bis zum Verdichtereintritt propagieren. Die Cut-Off/Cut-On-Transition der RSI-Moden und die Modenstreuung können als schallanregende Mechanismen betrachtet werden, die vor allem durch die Mehrstufigkeit einer Turbomaschine an Bedeutung gewinnen. Dadurch können auch die hinteren Schaufelreihen signifikant zum Gesamtschallfeld am Eintritt des Verdichters beitragen. In der Auslegung schallarmer Verdichter ist eine Beschränkung auf die Dämpfung der ausbreitungsfähigen RSI-Moden somit nicht ausreichend und sowohl Transitions- als auch Streumoden sind zu berücksichtigen.