Efficient in-duct tonal sound power estimation methods for radial compressors

Kurzfassung

Radialverdichter ermöglichen die effektive Kompression von Gas bei niedrigem Massenstrom. Außerdem erzeugen Radialverdichter unerwünschten und schädlichen Lärm. Um Lärmschutzregularien gerecht zu werden und Gegenmaßnehmen zur Unterstützung des Arbeitsschutzes einzuleiten, müssen die Schallemissionen eines Radialverdichters genau bestimmt werden. Die Lautstärke oder die Fähigkeit einer Maschine, Schall zu produzieren, wird durch die Schallleistung gemessen. Die Töne eines Radialverdichters liefern den primären Beitrag zur abgestrahlten Schallleistung (vgl. Raitor and Neise [1]). Sobald die Energie der Töne durch die Aerodynamik des Radialverdichterlaufrads erzeugt wird, durchläuft sie ungehindert den Diffusor, die Spirale und Druckleitung des Radialverdichters. Da die Geometrie eines Radialverdichters außerdem relativ komplex ist, bietet es sich an, die druckseitige tonale Schallleistung in der angeschlossenen Drukleitung zu messen. Modernste Schallleistungsmessverfahren sind allerdings zu ungenau für die Töne oder zu teuer für eine industrielle Anwendung. Zusätzlich dazu, erschweren die Umgebungsbedingungen in der Druckleitung die akustische Messungen. Diese Lücke wird in der vorliegenden Arbeit geschlossen, indem ein experimentelles Messverfahren entwickelt wird, welches die druckseitige tonale Schallleistung möglichst genau, robust und kostengünstig schätzt. Hierfür wurden zwei experimentelle Methoden entwickelt. Zudem wird die Fähigkeit der neu entwickelten Methoden, die tonale Schallleistung zu rekonstruieren, anhand von numerischen Testdaten getestet. Anschließend, werden beide Ansätze an einem Radialverdichter Prüfstand zum Einsatz gebracht. Die beste Methode für eine industrielle Anwendung wird aus der durchgeführten Analyse bestimmt. Die Aerodynamik des Laufrads erzeugt akustische tonale Energie, die in die Spirale einkoppelt. Die dabei angeregten akustischen Moden leiten die akustische Energie durch die Druckleitung. Um die tonale Schallleistung zu bestimmen, müssen die Amplituden dieser Moden Rekonstruiert werden (vgl. Morfey [9]). Um die Hardwarekosten zu senken, wurde die Anzahl der Sensoren begrenzt. Dadurch wird das Nyquist und Shannon [60] Theorem verletzt und eine präzise Rekonstruktion der Amplituden ist nicht mehr möglich. Um das Problem zu lösen, werden zwei experimentelle Methoden eingeführt. Diese liefern eine präzise und zuverlässige Schätzung der Amplituden, womit eine Schätzung der tonalen Schallleistung ermöglicht wird. Um die dominanten azimutalen Modenamplituden zu identifizieren und rekonstruieren, wird eine Rekonstruktiontechnik für dünnbesetzte Signal verwendet, bekannt als Compressed Sensing (CS). Mit Hilfe eines Verteilungsmodells, Equal Energy Density per Mode (EEDM), werden dann die Amplituden aller Moden geschätzt. Dieser kombinierte zweistufige Prozess wird mit dem Akronym CSAE bezeichnet. Die alternative Methode verwendet eine linienförmige Monopolquellenverteilung, die an der Außenwand eines vereinfachten Volutenmodells angeordnet ist. Die Einkopplung der akustischen Energie in die Volute wird damit modelliert. Die akustische Energie wird durch die Spirale, den Druckrohrdiffusor und das Druckrohr mittels eines langsam variierenden Kanalmodenmodells ausgebreitet. Das resultierende Modell, RAdial Compressor Equivalent Tonal Noise Source Model (RACET), wird mit dem regularisierten Least Squares Fit an die Messdaten gefittet. Anschließend werden die Amplituden aller Moden geschätzt.