Anwendungen
An den Versuchsständen FloCon-1 und FloCon-2 werden die strömungsinduzierten Schallquellen sowie Beeinflussungsmaßnahmen zur Minderung der Schallentstehung von Turbomaschinen umfassend untersucht. Als Untersuchungsobjekte dienen Axialventilatoren mit Massenströmen bis 2.2 kg/s und Blattspitzenmachzahlen bis 0.23 im Auslegungspunkt. Hinsichtlich der Schallanregungsprozesse sind die Turbomaschinen repräsentativ für Fan und Niederdruckverdichterstufen von Triebwerken und stationären Gasturbinen bei subsonischen Betriebszuständen. Aufgrund der hohen Flexibilität und des kostengünstigen Betriebs ermöglichen die Versuchsstände umfassende Parameterstudien. Die aeroakustischen Quellen können durch Einsatz vielfältiger Messtechnik hoch aufgelöst werden. Ziele sind eine Bewertung der Schallanregung, die Identifikation der wichtigsten Schallquellen und ein vertieftes Verständnis der physikalischen Anregungsmechanismen. Für numerische Vorhersageverfahren werden umfangreiche Validierungsdaten bereit gestellt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Erprobung von passiven, adaptiven und aktiven Maßnahmen zur Verbesserung der Aerodynamik, zur Reduktion der Schallanregung oder zur Minderung der Schallausbreitung.
Messtechniken
Das durch die Turbomaschine angeregte Schallfeld wird typischerweise im Strömungskanal mit Hilfe der Mikrofonmesstechnik charakterisiert. Die akustische Modenanalyse ermöglicht eine Zerlegung des Schalldruckfelds in unabhängige Wellen azimutaler und radialer Ordnungen, die einerseits für eine Interpretation der akustischen Entstehungsvorgänge herangezogen werden sowie der Quantifizierung der transportierten Schallleistung dienen. Durch Korrelation mehrerer Mikrofonarrays können die Transmission und Ausbreitung der Schallmoden als auch Schallfeldbeiträge räumlich getrennter Quellen ermitteln werden. An allen Versuchsständen lassen sich reflektionsarme Messbedingungen gemäß der Norm ISO 5136 durch Einsatz von schalldämpfenden Kanalsegmenten hergestellen.
Die instationären Strömungsvorgänge als Ursache der Schallentstehung in der Turbomaschine werden mit Hilfe der Hitzdraht-Anemometrie erfasst. Die Hitzdrahtmesstechnik liefert wichtige Informationen über die Turbulenzverteilung in der Zuströmung und Abströmung einzelner Schaufeln oder über das Auftreten von Sekundärströmungseffekten beispielsweise im Bereich der Rotorblattspitze. Auf den Oberflächen der Rotor- und Statorschaufeln angeregte Druckschwankungen können mittels integrierter instationärer Drucksensoren aufgenommen werden. Eine Verknüpfung der aerodynamischen und akustischen Messdaten über Modelle ermöglicht die Ableitung einer Rangfolge der wichtigsten Schallquellen, die z.B. in der Interaktion der Statorschaufeln mit der vom Rotor verursachten Zuströmturbulenz oder der Interaktion der turbulenten Grenzschicht mit der Hinterkante der Rotor- bzw. Statorschaufeln liegen können.
Versuchsstand - FloCon1
Beim Prüfstand FloCon1 handelt es sich um einen Hochdruck-Axialventilator mit Nachleitrad, der durch seine modulare Bauweise große Variationsmöglichkeiten bezüglich der Laufrad/Leitrad Konfiguration, der Kopfspaltweite und der angeschlossenen Messtechnik besitzt. Die Hauptabmessungen des Standardlaufrades sind in Tabelle 1 angegeben. Es besitzt 24 Schaufeln mit variabel einstellbarem Staffelungswinkel. Stromauf des Laufrades schließt ein halbkugelförmiger Spinner die Nabe ab. Die Auslegungsdrehzahl beträgt 3000/min. Die Kopfspaltweite des Rotors kann durch Verwendung austauschbarer Gehäusesegmente mit unterschiedlichem Durchmesser bei konstantem Laufraddurchmesser auf 0,7%, 1,4%, 2,8% und 5,6% der Rotorschaufelsehnenlänge eingestellt werden. Als Nachleitrad kann zum Einen zwischen drei Leiträdern mit 16,17 oder 32 unprofilierten Leitschaufeln gewählt werden oder zum Anderen ein Leitrad mit 30 NACA 9412 profilierten Schaufeln genutzt werden. Der Staffelungswinkel dieses Leitrades kann zwischen -10° und +10° variiert werden.
Der Prüfstand wird schwerpunktmäßig zur Untersuchung des Einfluss von Sekundärströmungsphänomenen auf das Betriebsverhalten und die Akustik sowie zur Erprobung von solchen Lärmminderungverfahren eingesetzt, die direkt an den aeroakustischen Quellen ansetzen. Zur Beeinflussung von Sekundärströmungen im Kopfspaltbereich steht ein System von bis zu 24 gleichmäßig über den Umfang, in die Gehäusewand integrierte Düsen zur Verfügung, durch die stationär als auch instationär Druckluft unter mehrfach variablem Winkel eingeblasen werden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit Druckluft über einen azimutal umlaufenden Einblasschlitz einzublasen. Über den azimutalen Schlitz kann ebenfalls die Grenzschicht im Laufradbereich abgesaugt werden. Durch Verwendung eines speziellen Laufrades ist es möglich unter einem Winkel von 45° aus der Rotorschaufelspitze auszublasen. In einem alternativen, mit 18 Schaufeln bestückten Laufrad ist es möglich, die Schaufelnachläufe durch Ausblasung aus der Schaufelhinterkante aufzufüllen (siehe auch Experimentelle Methoden zur Minderung von Breitbandlärm in Turbomaschinen).
Versuchsstand - FloCon2
im Prüfstand FloCon2 handelt es sich um ein Hochdruck-Axialventilator mit den folgenden Hauptabmessungen bzw. Auslegungsgrößen: Laufraddurchmesser 358 mm, Nabenverhältnis 0,62, NACA Schaufelprofil, Sehnenlänge am Außenschnitt 52 mm, maximale Profildicke 3 mm, Auslegungsdrehzahl 4000/min, Laufradschaufelzahl 16 bzw. 18, Leitradschaufelzahl 16 (unprofiliert). Zahl und Anstellwinkel der Laufradschaufeln können variiert werden. Die Kopfspaltweite beträgt bezogen auf die Rotorschaufelsehne 0,58%. Haupteinsatzgebiet ist die Untersuchung eines Verfahrens zur aktiven Minderung von Rotor-Stator-Interaktionstönen mittels Strömungsbeeinflussung. Das Konzept sieht die stationäre Einblasungvon Druckluft über verschiedene Anordnungen von gleichmäßig über den Umfang des Strömungkanals angeordneten Düsen in den Bereich zwischen Rotor und Stator vor. Die Anzahl der über den Umfang verteilten Einblasdüsen entspricht dabei der Anzahl der Statorschaufeln. Die Amplitude des zur Kompensation benötigten Sekundärfeldes wird über den Einblasmassenstrom und die Phase über die Position der Einblasdüsen relativ zur Statorvorderkante eingestellt. Zu diesem Zweck wurden mehrere drehbare Kanalsegmente entwickelt, die zum Beispiel eine gegenseitige Verdrehung zweier kaskadierter Düsenringe relativ zueinander und relativ zum Stator ermöglichen.