Aeroacoustic scaling of turbomachinery blade rows

Zur Weiterentwicklung von Technologien zur Lärmreduzierung von Flugtriebwerken ist ein Verständnis der Schallausbreitung durch Komponenten moderner Turbofan-Triebwerke entscheidend. In frühen Entwicklungsphasen von Triebwerkskomponenten, wie z. B. Axialkompressoren oder Turbinen, werden daher analytische Modelle zur Vorhersage des Schalltransports und der entstehenden Lärmemissionen genutzt. Um die Modellvorhersagen zu validieren, sind jedoch detailliertere, experimentelle Untersuchungen erforderlich. Da die meisten Turbomaschinenprüfstände nicht für aeroakustische Messungen geeignet sind und ihnen akustisch optimierte Randbedingungen fehlen, müssen die Schaufeln für den Einbau in aeroakustische Prüfstände skaliert werden.

Basierend auf einer Dimensionsanalyse wird ein Skalierungsansatz abgeleitet, der eine endliche Anzahl von dimensionslosen Größen hervorbringt. Die Hypothese besagt, dass diese Kenngrößen bei der Skalierung beibehalten werden müssen, um aeroakustische Ähnlichkeit zwischen einer Referenz und ihrer skalierten Geometrie herzustellen. Der Ansatz bwz. die Hypothese werden umfassend mit der Leitschaufelreihe eines mehrstufigen Axialverdichters und einer 1.5-stufigen Axialturbinenkonfiguration über einen breiten Betriebsbereich validiert. Die Ähnlichkeit hinsichtlich Aerodynamik und Schalltransmission wird durch die Übereinstimmung der Ergebnisse von stationären RANS- und instationären Harmonic-Balance-Simulationen zwischen den ursprünglichen und skalierten Konfigurationen numerisch validiert. Um den realen Axialverdichter getreu nachzubilden, wird ein Prüfstandsaufbau für einen aeroakustischen Windkanal entwickelt, bei dem Rotor-Stator-Interaktionsmoden mit Hilfe eines Lautsprecherarrays unter Anwendung der Modensynthese angeregt werden. Die umfangreichen aerodynamischen und akustischen Messungen mit der skalierten Kompressorschaufelreihe dienen als experimentelle Validierung des Ansatzes. Anschließend werden stationäre und instationäre Simulationen mit Vorgabe der experimentellen Randbedingungen durchgeführt und ein analytisches Schalltransportmodell von Smith sowie ein Breitbandlärmmodell von Posson angewendet. Die numerischen und experimentellen Ergebnissen hinsichtlich Reflexion und Transmission über die skalierte Leitschaufelreihe stimmen für Frequenzen unterhalb 4,5 kHz überein. Demgegenüber zeigt der Vergleich der Ergebnisse mit dem Modell von Smith Unterschiede, die aus den zweidimensionalen Modellannahmen hervorgehen. Ähnlichkeit bezüglich des Eigenlärms der Leitschaufel konnte aufgezeigt werden. Die Ergebnisse validieren den Skalierungsansatz numerisch, experimentell und analytisch. Sie bestätigen, dass der Ansatz auf reale Flugzeugtriebwerke angewendet werden kann und liefern Daten über einen breiten Betriebsbereich zur Validierung analytischer Modelle.