Aeroakustische Bewertung von Fanstufen im Rahmen des Vorentwurfs von Triebwerken

Abstract

Die Berücksichtigung der akustischen Eigenschaften eines neu zu entwerfenden Triebwerks in der frühen Phase des Vorentwurfs kann für die späteren Entwurfs-Iterationen viel Geld und Zeit sparen. Eine der wichtigsten Schallquellen von zukünftigen Antriebskonzepten stellt dabei der Breitbandschall einer Fanstufe dar. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine Methode zur aeroakustischen Bewertung von Fanstufen vorgestellt, welche für den Einsatz während des Triebwerkvorentwurfs geeignet ist. Die Anforderungen an solche Vorentwurfsmethoden sind kurze Laufzeiten und die Erzeugung von ausreichend genauen Ergebnissen basierend auf wenigen Eingabedaten, die akustische Trends in Parameterstudien richtig abbilden. Die dafür entwickelte Schnittstelle bereitet die Strömungsdaten aus einem in der Vorauslegung weit verbreiteten 2D-Mehrschnittverfahren auf und stellt sie einem am DLR entwickelten analytischen Fanakustik-Verfahren zur Verfügung. Dieses Fanakustik-Verfahren ist unter anderem in der Lage, den breitbandigen Anteil der Interaktions-Schallquelle zu berechnen, welcher durch die Interaktion der turbulenten Strömungsstörungen im Nachlauf des Rotors mit der nachfolgenden Schaufelreihe entsteht. Eine besondere Herausforderung zur Bestimmung dieser Schallquelle besteht darin, dass üblicherweise während der Vorentwurfs-Phase keinerlei Informationen über die Geschwindigkeitsdefizite hinter einem Rotor und die Turbulenz in der Strömung vorhanden sind. Der Lückenschluss soll durch ein empirisches Nachlauf-Turbulenzmodell vollzogen werden, welches einen proportionalen Zusammenhang zwischen den mittleren Geschwindigkeitsdefiziten und den turbulenten Schwankungsgeschwindigkeiten in den Nachläufen annimmt. Für die Auswertungen des Verfahrens wird das empirische Turbulenzmodell zunächst mithilfe von numerischen Simulationen und Hitzdrahtmessdaten in unterschiedlichen Betriebspunkten verschiedener Fanstufen kalibriert. Durch diese Untersuchungen kann gezeigt werden, dass die Kalibrierungsfaktoren eine Abhängigkeit zum axialen Abstand zur Rotor-Hinterkante aufweisen. Bei komplexeren Strömungen in den Kanal-Randbereichen oder bei sehr hohen Inzidenzwinkeln ist das Turbulenzmodell nur noch eingeschränkt anwendbar. Es zeigt sich aber auch, dass der Beitrag der Strömung in den Randbereichen zum Breitbandschall nur relativ gering und auch bei geänderten Betriebsbedingungen größtenteils konstant ist. Abschließend wird die Eignung des vorgestellten Verfahrens zur Bewertung der Fanakustik im Vorentwurf untersucht, indem es auf eine subsonische und eine transsonische Fanstufe angewendet wird. Die Ergebnisse werden mit einem Mittelschnitt-basieren Verfahren, mit höherwertigen Verfahren, wie einem RANS-basierten und Hitzdraht-basierten Verfahren, sowie mit experimentellen Daten aus Hitzdrahtmessungen und Mikrofonmessungen verglichen. Die Eignung kann vor allem vor dem Hintergrund der zur Verfügung stehenden Strömungsinformationen und der extrem kurzen Laufzeiten von wenigen Sekunden bestätigt werden.