Einfluss der Strömungsgrenzschicht in zylindrischen Kanälen auf die Radialmodenanalyse von Turbomaschinenlärm

Kurzfassung

Die Radialmodenanalyse ist die gängige Methode zur Bestimmung der Schallleistung von Rotor-Stator-Interaktionstönen in Turbomaschinen und somit ein wichtiges Werkzeug zur akustischen Bewertung von Turbomaschinendesigns. Mit einer Ausgleichsrechnung werden bei dieser Methode Schallfelddaten an ein Modell für die Schallausbreitung im Kanal angepasst. Eine analytische oder numerische Eigenlösung bildet die modale Basis für das zu lösende Gleichungssystem. Erstere beinhaltet ein konstantes Strömungsprofil, die zweite bildet die Strömung mit einer Grenzschicht ab. In Anwendungsfällen sind Unterschiede von bis zu 10dB in den berechneten Schallleistungen zwischen den Modellen aufgetreten. Es zeigt sich, dass die numerisch berechneten, radialen Eigenformen des Drucks im Gegensatz zum analytischen Fall, abhängig von der betrachteten Freifeldwellenzahl sind. Diese Abhängigkeit wird anhand einer Parameterstudie für ein generisches Grenzschichtprofil gezeigt. Hierbei werden die radialen Eigenformen für verschiedene Grenzschichtdicken bei einem sinusförmigen Grenzschichtverlauf für Wellenzahlen berechnet, die im Bereich der Turbomaschinenakustik relevant sind. Die Unterschiede zwischen den Modellen werden mit steigender Frequenz und zunehmender Strömungsmachzahl größer. Es wird anhand einer Konditionsanalyse untersucht, welchen Einfluss die Berücksichtigung der Strömungsgrenzschicht auf die Radialmodenanalyse bei Verwendung üblicher Mikrofonarraysdesigns aufweist und ob das Arraydesign angepasst werden kann.