Transmission und Reflexion von Schallmoden durch Schaufelgitter

Abstract

Für die Entwicklung akustisch optimierter Turbomaschinen ist ein verbessertes Verständnis über die physikalischen Mechanismen des Schalltransports wichtig. Die tonalen Lärmquellen werden maßgeblich durch die Rotor-Stator-Interaktion (RSI) generiert und breiten sich innerhalb der Turbomaschine in axialer Richtung in Form von akustischen Schallmoden aus. Dabei wird ein geringer Anteil der Gesamtschallleistung dieser Moden durch Reibungseffekte abgeschwächt, während ein großer Teil der Schallleistung durch die Schaufelreihen transmittiert bzw. reflektiert wird. Aus diesem Grund widmet sich die vorliegende Arbeit der Untersuchung des Reflexions- und Transmissionsverhaltens von Schallmoden durch reale Schaufelreihen. Durch Einsatz eines Schallgenerators werden gezielt Schallmoden in die Messstrecke eingekoppelt und das gesamte ausbreitungsfähige Schallfeld stromauf und stromab der untersuchten Schaufelreihen wird mit speziell ausgelegten Mikrofonarrays vermessen. Anschließend wird das gemessene Schallfeld mittels der Radialmodenanalyse (RMA) in seine harmonischen Komponenten und beteiligte Moden zerlegt. Das Ziel ist, die vollständige Ermittlung der Schallleistungspegel für stromab- und stromauf laufende Schallmoden, um Rückschlüsse auf die Transmission und Reflexion durch Schaufelreihen ziehen zu können. Auf Basis des zweidimensionalen ebenen Plattenmodells nach Smith (1973) und Koch (1971) werden bekannte Ansätze für erweiterte quasi 3d-Schalltransportmodelle angewandt. Die Weiterentwicklung der Modelle auf quasi-3d berücksichtigt einerseits die Eigenschaften dreidimensionaler Schallmoden mittels der Radialstreifen-Methode (RSM) und andererseits die Eigenschaften einer dreidimensionalen Schaufelkontur mittels der Panel-Methode (PM). Bei der RSM wird der über den Radius variierende Einfallswinkel einer dreidimensionalen Schallmode berücksichtigt, indem diese in verschiedene Radii geschnitten und anschließend für jeden Schnitt eine 2d- Modellberechnung durchgeführt wird. Die berechneten Schalldruckverteilungen am Ein- und Austritt des Plattenmodells werden für die anschließende RMA verwendet, mit der dann die modenspezifische Transmission und Reflexion bestimmt wird. Die Kombination der RSM-Modellberechnungen mit dem im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelten Panel-Ansatz (RSPM), bei der die Schaufelkontur durch Variation der Plattenanstellwinkel berücksichtigt wird, sind verbesserte Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen nachgewiesen. Desweiteren lässt sich feststellen, dass mit RSPM die Streuung modaler Schallleistung und die verbesserte Berücksichtigung des modalen Einfallswinkel vorhergesagt wird. Die Eingangsparameter der in MATLAB implementierten und weiterentwickelten Modelle sind die Schaufelgeometrie und die Mach-Zahl.