Aktive Geräuschminderung des Drehklangs axialer Turbomaschinen durch Strömungsbeeinflussung
Creators: name: Schulz, Jan
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2004
Subjects: subject: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: Aktive Geräuschminderung
subject: Axiale Turbomaschinen
subject: Drehklang
subject: Rotor-Stator-Interaktion
subject: Rotor-Störung-Interaktion
subject: Strömungskontrolle
subject: Active noise control
subject: Axial turbomachinery
subject: Flow control
subject: Rotor-distortion-interaction
subject: Rotor-stator-interaction
subject: Tonal noise components

description: Diese experimentelle Arbeit beschreibt eine Methode der aktiven Minderung tonaler Geräuschanteile von axialen Turbomaschinen. Hierbei werden im Gegensatz zu konventionellen Verfahren keine Lautsprecher verwendet, um das für die destruktive Überlagerung erforderliche Sekundärschallfeld zu erzeugen. Dieses wird vielmehr durch gezielt erzeugte strömungserregte Gegenschallquellen gebildet, die als Folge einer aktiven Beeinflussung der Strömung im Bereich der Spitzen der Rotorblätter der axialen Strömungsmaschine entstehen. Für die Strömungsbeeinflussung werden verschiedene Methoden vorgestellt. Als besonders aussichtsreich, auch im Hinblick auf eine mögliche praktische Anwendung, stellte sich das Einblasen von Druckluft im Bereich des Rotors der axialen Turbomaschine dar. Weitere betrachtete Möglichkeiten für die Veränderung der Umströmung des Laufrades waren zylindrische Störkörper oder kleine Tragflügel-Profile. Ebenfalls erscheinen aus der Wand herausragende Lippen geeignet, um die gewünschten aeroakustischen Schallquellen zu bilden. Letztere wurden mittels piezo-elektrischen Aktuatoren auch für eine dynamische Beeinflussung der Strömung verwendet. Mit den Piezo-Elementen konnten Pegelminderungen bis zu 10 dB erreicht werden. Den Schwerpunkt der Untersuchungen bildete die Geräuschminderung durch statische und dynamische Lufteinblasung im Blattspitzenbereich des Rotors. Durch akustische Messungen und strömungstechnische Experimente z. B. mittels PIV sowie den Vergleich mit anderen Beeinflussungsmethoden wurden die Möglichkeiten und der physikalische Hintergrund der aktiven Geräuschminderung durch Strömungsbeeinflussung untersucht. Die Geräuschminderungsmethode wurde für die Reduktion des Drehklangs eines Axialventilators bei Schallfeldern mit ebener Welle und für höhere Azimutalmoden angewendet. Bei den besten Ergebnissen konnten Minderungen des Blattfolgefrequenzpegels bis zu 22 dB sowie Reduktionen des Schalldruckpegels über den gesamten Frequenzbereich von bis zu 12 dB erzielt werden. In einer Reihe von Fällen wurde der Pegel der für die Schallausbreitung dominanten Mode um mehr als 30 dB verringert. Messungen mit Particle Image Velocimetry an einem 2D-Modell des Schaufelspitzengitters ergaben, dass sich im Fall der Lufteinblasung eine Längswirbelstruktur in Form eines gegensinnig rotierenden Wirbelpaares ergibt. Die durch die Beeinflussung erzeugten Strukturen liegen parallel zum primären Strömungsfeld vor. Die Untersuchungen zeigen, dass die Wechselwirkung dieser sekundären Strömungsstrukturen mit dem Rotor des Versuchsventilators der Mechanismus der Erzeugung des aeroakustischen Sekundärschallfeldes ist. Dabei entstehen parallel zum Primärfeld zusätzliche Kräfte an den Rotorblättern, die in der zusätzlichen Schallabstrahlung resultieren. Im Ergebnis konnte so die Wirkungsweise der Methode als destruktive Überlagerung eines sekundären strömungserregten Schallfeldes nachgewiesen werden. Die wesentlichen Parameter für die Anpassung der Amplitude und Phasenlage des Gegenschallfeldes wurden in dieser Arbeit studiert und erläutert. Weiterhin wird eine Möglichkeit für eine von den üblichen Verfahren der aktiven Geräuschminderung abweichende Regelungsstrategie für die hier entwickelte Methode vorgeschlagen. This experimental study presents a novel method for the active control of tonal noise in axial turbomachinery. In contrast to conventional techniques, the secondary sound field necessary for cancellation of the primary field is produced without the use of loudspeakers. The field is formed rather through flow induced aerodynamic noise sources, which result from active control of the flow in the region of the rotor blade tips. Several different strategies for active control of the flow are presented. Of the various strategies considered, the injection of compressed air in the blade tip regions appears particularly promising, especially in the context of practical applications. Other means to control the flow, such as small airfoils or cylindrical rods are also presented. Furthermore, steady and unsteady driven piezo-electric actuators can be used to generate the aeroacoustic sound sources. Here sound level reductions of up to 10 dB could be achieved. The study focuses on noise reduction using steady and unsteady air injection in the tip region of the rotor. Through both acoustic and aerodynamic measurements, as well as comparisons with alternative flow control strategies, the physics behind the noise reduction were investigated. The noise control strategy was successfully applied to acoustic fields with the plane wave as well as higher-order azimuthal modes. The best results showed reductions in the sound pressure level of up to 22 dB at the blade passing frequency, and up to 12 dB over the entire frequency range. In several experiments, modal analysis showed the dominant azimuthal mode m = 2 was suppressed by more than 30 dB. Experiments with a simplified stationary 2D blade cascade using Particle Image Velocimetry showed, for the case of air injection, that longitudinal vortical structures are generated in the form of a counter rotating vortex pair downstream of the air injection nozzles. The experimental investigations showed that the interaction of these secondary structures in the flow is the mechanism responsible for the generation of the secondary sound field. Alongside the primary field therefore, periodic secondary forces are set up on the rotor blades resulting in the additional sound radiation. Consequently, the mechanism effecting noise reduction can be interpreted as destructive interference by a secondary aerodynamically generated sound field. This arises due to the interaction of the rotor blades with the flow distortions that exist alongside the primary flow field. The main parameters found to affect the amplitude and phase of the flow induced secondary sound field were studied and explained. In addition, a suitable control system for use with the noise control strategy, which deviates from the usual ANC procedures, is suggested.