Experimentelle Untersuchung des dynamischen Strömungsabrisses an einem Rotor mit axialer Zuströmung
Creators: name: Schwermer, Till
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2018
Subjects: subject: Dynamic stall
subject: hover facility
subject: Dynamischer Strömungsabriss
subject: Rotor
subject: Schwebeversuch
subject: Particle Image Velocimetry
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::620 | Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

description: Der dynamische Strömungsabriss (Dynamic Stall) am rücklaufenden Blatt des Hauptrotors schränkt die Flugenvelope von modernen Helikoptern ein. Durch großflächige Strömungsablösungen verursacht er hohe strukturelle Lasten mit starken Hystereseeffekten und beeinträchtigt die Steuerbarkeit. Mit analytischen und empirischen Modellen ist der Dynamic Stall nur schlecht vorhersagbar und wird im Hubschrauberentwurf wenig berücksichtigt. In dieser Dissertation wird ein Rotorteststand entwickelt, an dem der Dynamic Stall am Rotor vereinfacht und unter optimierten Randbedingungen untersucht werden kann. Er bietet eine gute optische Zugänglichkeit zur Anwendung berührungsloser Messverfahren. Der Dynamic Stall wird durch eine zyklische Rotorblattansteuerung erzielt. Bisher mussten Vorwärtsflugzustände am Rotor in sehr teuren Windkanalversuchen hergestellt werden, um den Dynamic Stall am Rotor zu untersuchen. Durch die Konstruktion des Teststandes werden darüber hinaus der Betrieb im Bodeneffekt und eine Rezirkulation des Rotornachlaufs vermieden. Der Rotor besteht aus zwei negativ verwundenen Rotorblättern mit einer Streckung von 7.1 und einem Radius von 0.65m. Er wird bei einer Drehfrequenz von 23.6Hz betrieben, was bei 75% Radius eine Machzahl von 0.21 und eine auf die Profiltiefe bezogene Reynoldszahl von 353000 ergibt. Am Rotorblatt wird die Umströmung anhand von Strömungsvisualisierung mit tufts, instationären Oberflächendruckmessungen, Strömungsfeldmessungen mit der Particle Image Velocimetry (PIV) sowie der Differential Infrared Thermography (DIT) zur Ablösedetektion vermessen. Weiterhin wird die Blattspitzenauslenkung erfasst. Messungen werden an unterschiedlichen radialen Schnitten auf dem Rotorblatt und erstmalig für den gesamten Rotorumlauf durchgeführt. Ein Telemetriesystem ermöglicht synchronisierte, instationäre Messungen im rotierenden System mit einer Signalbandbreite von 19kHz. Für eine zyklische Blattansteuerung mit einer Amplitude von 6.2° und einem mittleren Steuerwinkel von 16.9° bei 75% Radius zeigen PIV-, DIT-, tuft- und Oberflächendruckdaten eine Strömungsablösung für die Hälfte des Rotorumlaufes. Die stark dreidimensionale Ablösung wird bei 84% Radius initiiert und breitet sich von dort zur Blattspitze und -wurzel aus. Mehrere Ablösezellen, wie an schwingenden Profilen und Blattspitzen beobachtet, treten am Rotor nicht auf. An der Blattspitze und bei halber Spannweite tritt der Dynamic Stall schwächer und verzögert gegenüber 84% Radius auf. Während der Ablösung spielen Zentrifugalkräfte eine dominante Rolle im Rezirkulationsgebiet. Dort kommt es zu hohen spannweitigen Strömungsgeschwindigkeiten, die in Richtung Blattspitze linear zunehmen. Eine globale Einteilung des Dynamic Stalls in Light Stall oder Deep Stall kann aufgrund großer radialer Unterschiede im Ausmaß und im zeitlichen Verlauf des Dynamic Stalls nicht erfolgen. Durch die hohe Aperiodizität des Dynamic Stalls weisen Phasenmittelungen der PIV- und Druckdaten Abweichungen zu den instantanen Messwerten von bis zu 64% auf. Es werden dreidimensionale Strömungsphänomene aufgezeigt und mit dem nicht-rotierenden Fall sowie mit Ergebnissen aus numerischen Strömungssimulationen verglichen. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis des Einflusses der Rotation auf den Dynamic Stall.
description: Dynamic stall on the retreating main rotor blade limits the flight envelope of modern helicopters. High structural loads with hysteresis effects and handling quality issues are introduced due to extensive flow separation. It is difficult to predict dynamic stall by means of analytical and empirical methods. Therefore dynamic stall is not considered in detail during the helicopter rotor design process. In this thesis a test facility is developed to investigate dynamic stall on the rotor under improved boundary conditions. The improvements due to the design of the rotor test stand are: operation out of ground effect, the reduction of rotor wake recirculation and good optical access to apply non-intrusive measuring techniques. Dynamic stall is triggered by a cyclic variation of the blade pitch angle. Until now expensive wind tunnel test campaigns were necessary to simulate forward flight conditions in which dynamic stall occurs. The rotor consists of two negatively twisted blades with a tip radius of 0.65m and an aspect ratio of 7.1. It is operated at a rotational frequency of 23.6Hz, leading to a Mach number of 0.21 and a chord based Reynolds number of 353000, both at 75% radius. The flow around the blades is analyzed by means of tuft flow visualizations, unsteady surface pressure measurements, particle image velocimetry (PIV) for flow field measurements and differential infrared thermography (DIT) to detect flow separation. In addition the blade tip deflection is measured. Optical measurements were taken at different radii, covering the whole blade revolution for the first time. A telemetry system enabled for synchronized and unsteady measurements in the rotating frame with a bandwidth of 19kHz. For a cyclic pitch case with an amplitude of 6.2° and a mean pitch angle of 16.9° at 75% radius, PIV, DIT, tufts and surface pressure data show flow separation over one half of the blade revolution. The dynamic stall is observed to be strongly three-dimensional with the initial and strongest separation at 84% radius from whence it spreads in in- and outboard direction. Multiple stall cells, as found on pitching airfoils and blade tips, were not observed on the rotor. The separation behavior is delayed and weakened near the tip and at mid-span compared to 84% radius. Centrifugal forces dominate the recirculating flow during separation with instantaneous outward flow velocities increasing linearly towards the tip. Furthermore a global classification of the dynamic stall, namely, Light Stall or Deep Stall, is not reasonable due to radial differences. Phase-averaging of the PIV and surface pressure data is found to lead to an underestimation of instantaneous peak values up to 64% due to the strong aperiodicity of the dynamic stall. In this study differing three-dimensional flow features compared to the non-rotating pitching blade tip are revealed and the results are compared with numerical flow simulations. A deeper insight in the role of rotation in dynamic stall is given.