Untersuchungen von Grenzschichttransition und Luftkräften an rotierenden Blättern

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wurden Luftkräfte und Grenzschichttransitionslagen auf Mach-skalierten Hubschrauberrotorblättern in Steigflugkonfiguration untersucht. Oberflächendrücke und laminar-turbulente Umschlagslagen wurden auf den äußeren 60 % der Saugseite eines mit einem DSA-9A Profil ausgestatteten Rotorblattes gemessen. Hierfür wurden örtlich hochauflösende optische Messtechniken eingesetzt und durch integrale Schub- sowie Oberflächendruckmessungen mittels einzelnen Druckanbohrungen ergänzt. Die Experimente wurden am Zweiblattrotor der Rotor-Testanlage des DLR in Göttingen (RTG) durchgeführt. Der untersuchte Parameterraum umfasst eine Variation des kollektiven Blattanstellwinkels bei jeweils drei unterschiedlichen Drehzahlen. Die auf die Blattspitzengeschwindigkeit und die Sehnenlänge bezogenen Mach- und Reynoldszahlen ergeben sich zu M_{Spitze} = 0.29 - 0.57 und Re_{Spitze} = 4.6 - 9.3 × 10^5. Es wird ein für den Einsatz an schnell drehenden Rotorblättern optimiertes pressure-sensitive paint (PSP) Messsystem vorgestellt. Eine hierfür optimierte Bilderfassung verhindert Messartefakte, die durch Bildunschärfe infolge von Rotation entstehen. Das System wurde erfolgreich an der untersuchten Konfiguration angewendet. Ein Vergleich zwischen PSP-Ergebnissen und Daten herkömmlicher Drucksensoren ergibt einen Effektivwert der Unterschiede von ca. 250 Pa. Durch die Verwendung der single-shot lifetime PSP-Methode konnten Bereiche partieller Strömungsablösung auf dem Blatt identifziert werden, in denen vergleichsweise hohe niederfrequente Druckschwankungen gemessen wurden. Die PSP-Resultate offenbaren charakteristische Strukturen, wie den “Fußabdruck” des Randwirbels, die Saugspitze parallel zur Blattvorderkante oder gar den abrupten Druckanstieg als Folge des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags. Der letztgenannte Zusammenhang konnte durch die separaten Transitionsmessungen verifziert werden und unterstreicht die Fähigkeit des Messsystems, räumliche Gradienten präzise zu erfassen. Grenzschichttransition wurde mittels temperature-sensitive paint (TSP) und vergleichsweise via Infrarot-Thermografie gemessen. Die Umschlagslagen wurden für alle Datenpunkte entlang der Blattspannweite über eine Auswertesystematik und mit einer Präzision von ca. 1 % der Sehnenlänge (≈ 0.7 mm) ermittelt. Zusammen mit integralen Schubwerten und Druckanbohrungsergebnissen wurde eine Datenbasis erstellt, die für die Validierung von numerischen Methoden zur Verfügung steht. Der Einfluss rotierender Kräfte auf den Grenzschichtumschlag wurde durch einen Vergleich der Transitionslagen bei gleichem effektiven Anstellwinkel, resultierenden Reynolds- und Machzahlen von Re_{res} = 3.74 × 10^5 und M_{res} = 0.22 und ausschließlich unter Variation der Rossbyzahl Ro, als Maß für Rotationskräfte, untersucht. Ein stabilisierender Effekt von Rotationskräften wurde bei Variation von Ro = 6.95 auf Ro = 4.76 für die untersuchte Konfiguration nicht festgestellt. Druckmessdaten bei 77 % des Blattradius wurden mit Lösungen eines gekoppelten zweidimensionalen (2D) Euler-/ Grenzschicht-lösers verglichen und verwendet, um kritische N-faktoren auf Basis unterschiedlicher Versionen der e^N-Methode zu bestimmen. Berechnete und gemessene Oberflächendrücke stimmen innerhalb von ∆ c_p ≈ 0.02 überein. Auf Basis von 2D lokaler kompressibler linearer Stabilitätstheorie und unter Berücksichtigung der gemessenen nicht-adiabaten Wandtemperatur wurden kritische N-faktoren von N_cr = 8.4 ± 0.5 ermittelt, die keine signifkante Abhängigkeit der Reynolds- bzw. Drehzahl zeigen. Demnach kann bei Kenntnis der Druckverteilung die Transitionslage bis auf ± 5 % der Sehnenlänge vorhergesagt werden.