Bild1: Funktionsprinzip der aktiven Schallminderung an Turbomaschinen
Der Lärm von Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen wird zur Zeit außer durch Maßnahmen an der Schallquelle durch passive Schallabsorber in den stromauf und stromab angeschlossenen Kanälen begrenzt. Bei Flugtriebwerken sind diese Schallabsorber an der Innenseite von Einlauf- und Nebenstromkanal angeordnet, bei stationären Anlagen werden meist Kulissenschalldämpfer verwendet.
Eine Alternative oder Ergänzung hierzu besteht im Einsatz der aktiven Lärmminderung, bei der Aktuatoren (Lautsprecher) so angeordnet und gesteuert werden, daß der von der Turbomaschine emittierte Schall durch Überlagerung eines gegenphasigen Signals teilweise oder vollständig ausgelöscht wird.
Das Prinzip dieses Verfahrens ist einfach, seine Anwendung bei Triebwerken aber sehr schwierig, weil das Schallfeld im Triebwerkskanal eine komplizierte räumliche Struktur aufweist. Man verspricht sich aber durch Anwendung dieser Technik größere Pegelminderungen auf kurzem Raum als durch herkömmliche passive Absorber.
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| Bild 2: gibt einen Eindruck von der Größenordnung des Versuchsaufbaus |
Beteiligt waren das DLR-Institut für Antriebstechnik in Berlin (Abteilung Turbine) und Köln (Abteilung Fan und Verdichter), EADS-Forschung und Technologie in Ottobrunn und MTU-München.
Als Untersuchungsobjekt wurde das Modell eines gegenläufigen ummantelten Propfans (CRISP) der MTU verwendet, das bei der DLR in Köln/Porz auf einem Verdichterprüfstand aufgebaut war.
Dieser Versuchsträger eignet sich wegen seiner großen Abmessungen (Fan-Durchmesser 1m) besonders für die Erprobung der Technologie der aktiven Lärmminderung, weil eine große Zahl von Aktuatoren eingesetzt werden kann.
Außerdem lagen für dieses Modell bei Beginn des Vorhabens bereits die Ergebnisse umfangreicher Schallmessungen vor Ziel des Gesamtprojekts war es, die Basis für eine Technologie zur aktiven Schallminderung an Turbomaschinen durch Aktuatoren in den angeschlossenen Kanälen zu schaffen und deren Wirksamkeit zu erproben. Diese Technologie kann mit entsprechenden Modifikationen außer für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinenanlagen auch für Windkanäle, Industrie- und Kraftwerksventilatoren, Klimaanlagen etc. eingesetzt werden.
Bild 3: Durch aktive Schallminderung erzielte Schallleistungsreduktion
Im Rahmen der Experimente an dem verwendeten Versuchsträger ist es das Ziel, die stromauf abgestrahlte Schalleistung zumindest der Töne bei der Schaufelfolgefrequenzen der beiden Rotoren deutlich zu vermindern. Das Funktionsprinzip der aktiven Lärmminderung ist in Bild 1 dargestellt.
Der von der Turbomaschine emittierte Schall wird durch Mikrofone im Strömungskanal detektiert und an eine Reglereinheit weitergeleitet. Die Reglereinheit steuert Aktuatoren (Lautsprecher) so an, dass der störende Schall durch Überlagerung eines gegenphasigen Schallfelds teilweise oder vollständig ausgelöscht wird.
Als hervorragendstes Ergebnis konnte für den Einsatz des modalen Regelungskonzepts bei der zweifachen Blattfolgefrequenz eine Schallleistungsreduktion von über 34 dB nachgewiesen werden (siehe Bild 3).
Bei Verwendung des klassischen LMS-Regelungsalgorithmus wurde eindrucksvoll die simultane aktive Schallminderung von zwei Tönen dokumentiert (vergleiche Bild 4): dabei wurden Schallleistungsreduktionen von über 26 dB bei der einfachen bzw. 14 dB bei der zweifachen Blattfolgefrequenz festgestellt. Weiterhin konnte für den modalen Algorithmus - im Gegensatz zum LMS-Algorithmus - die erfolgreiche Anwendung der aktiven Regelung bei der dreifachen Blattfolgefrequenz bestätigt werden.
Bild 4: Spektrum der mit Rotor 1 korrelierten Schalldruckanteile im Kanaleinlauf
Die Bedeutung der Verifizierung der Regelungsergebnisse durch regelungsunabhängige Mikrofone mit Hilfe der Radialmodenanalyse hat sich in den durchgeführten Tests bestätigt: So waren in den Schalldruckspektren der Regelungs-Mikrofone während der Messungen und ebenfalls in den anschließenden Auswertungen keine wesentlichen Unterschiede zwischen vergleichbaren ANC-Tests festzustellen.
Erst die Radialmodenanalyse konnte signifikante Differenzen in den Auswirkungen der Regelungen aufzeigen. Insgesamt hat sich die Schallfeldanalyse mittels einer Zerlegung der betrachteten tonalen Komponente in Radialmoden als effizientes Werkzeug zur Ermittelung des Potenzials sowie der Beurteilung bestehender Probleme und Limitierungen der beiden eingesetzten Kontroll-Algorithmen erwiesen.