Konzeption eines praxisnahen Versuchsstandes zur Untersuchung von Leading Edge Serrations als Proof-of-Concept
Creators: name: Biedermann, Till M.
name: Kameier, Frank
Publisher: name: Berichte zu HSD-intern geförderten Forschungsprojekten
Year: 2018
Subjects: Konzeption
Leadning Edge Serrations
Proof of Concept
Versuch

description: Der Einsatz von Leading Edge Serrations (gezackte Tragflächenvorderkanten) als Schallminderungsmaßnahme bei hochturbulenter Anströmung wurde bisher maßgeblich in Form von eben im Windkanal gelagerten, modifizierten Tragflügeln untersucht. Diese Untersuchungen dienten der aeroakustischen Designoptimierung und der Identifikation von Wirkmechanismen anhand eines simplifizierten Systems. Das zukünftige Einsatzgebiet dieser neuartigen Modifikation wird im Bereich von Windenergieanlagen, Flugzeugtriebwerken und kontrarotierenden Rotoren der nächsten Generation aber auch bei gängigen Axialverdichtern gesehen. Der Transfer der im ebenen System erhaltenen Erkenntnisse in Richtung einer rotierenden Applikation erfordert die Berücksichtigung einer Vielzahl an zusätzlichen Einflussgrößen, welche die aerodynamische und aeroakustische Effizienz der Leading Edge Serrations in Form verstärkender oder auch hemmender Effekte signifikant beeinflussen können. Im durchgeführten Projekt wurde untersucht, inwieweit sich diese durch Buckelwale und Eulen inspirierten Tragflächen auf rotierende Systeme übertragen lassen, ohne Einbußen ihrer bereits bestätigten vorteilhaften aeroakustischen und aerodynamischen Eigenschaften zu erleiden. Von besonderem Interesse waren hier etwaige Einflüsse der mit dem Radius variierenden Umfangsgeschwindigkeit sowie der im Praxisfall stark variierenden Anströmrichtungen und –zustände.

In diesem Sinne wurde ein experimenteller Versuchsstand in Anlehnung an die DIN EN ISO 5136 zur simultanen Vermessungen der aeroakustischen und aerodynamischen Eigenschaften konzipiert. Ein eigens konzipierter Modellrotor in Form eines Axialverdichters ermöglichte einen flexiblen Austausch der Rotorblätter, was die Möglichkeit einer kosten- und zeitsparenden Variation der Rotorblattgeometrien bietet. Im Rahmen des Projektes konnten neben der Konzeption des Versuchsstandes im Rahmen einer experimentellen Proof-of-Concept Studie und einer umfangreichen Quantifizierung der Zuströmbedingungen auch das Schallreduktionspotential der untersuchten Applikation im rotierenden System nachgewiesen werden. Eine Variation verschiedener aerodynamischer und geometrischer Einflussgrößen lässt zudem allgemeingültige Aussagen bezüglich der zugrundeliegenden Abhängigkeiten zu. Zudem führten parallele Untersuchungen mittels Array-Beamforming mit dem Ziel der Schallquellenlokalisationen zu wertvollen Transfererkenntnissen bezüglich des Einsatzes von Leading Edge Serrations im rotierenden System. Eine erste Untersuchung zur möglichen Approximation der Wirkzusammenhänge von Einfluss- und Zielgrößen wies ein hohes Potential zur komplexen Modellbildung mittels neuronaler Netze aus.

Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem tieferen Verständnis der zugrundeliegenden Wirkmechanismen von Leading Edge Serrations bei und unterstützten in der Definition weiterer verbleibender Forschungslücken, deren Erforschung im mittel- bis langfristigen Kontext einen Beitrag zu einer industriellen Verwertung dieser Applikation und somit zu einer Reduktion der Lärmbelastung der Bevölkerung leistet.