Acoustic Analysis of the Transfer Parameters of Leading Edge Serration as an Application for Low Pressure Axial Fans
Final Report Abstract
Die Manövrierfähigkeit von Buckelwalen und der nahezu lautlose Flug von Eulen fasziniert die Wissenschaft bereits seit langem. Die diesen Effekten zu Grunde liegende Wellenform der Flipper- bzw. Flügelvorderkanten finden in Form sinusförmiger Leading Edge Serrations technische Anwendung an Tragflügeln. Im Rahmen des durchgeführten Projektes konnte der Transfer von an einzelnen Tragflügeln umfangreich analysierten Leading Edge Serrations in ein rotierendes System in Form eines Niederdruck-Axialventilators realisiert werden. Ziel war die Reduktion eines turbulenzinduzierten Vorderkantenschalls sowie die aerodynamische Stabilisierung der Strömungsverhältnisse abseits des Optimalpunktes der Strömungsmaschine. Ein besonderes Augenmerk lag auf der Analyse von Schnittstellenparametern zwischen ruhendem und rotierendem System sowie der Identifikation des Einflusses komplexer Rotor- und Serration-Designkriterien auf die Schallabstrahlung. Umfangreiche experimentelle Arbeiten zeigen eine qualitativ mit dem Tragflügel vergleichbare Abhängigkeit des globalen Schallreduktionspotentials der untersuchten Rotoren als Funktion der geometrischen Serration Parameter und des Turbulenzgrades. Spektrale Detailanalysen bestätigen diese Beobachtungen und ermöglichen eine Quantifizierung der breitbandigen Schallreduktion. In starkem Kontrast zu den bislang isoliert betrachteten akustischen und aerodynamischen Wirkprinzipien von Leading Edge Serrations an Tragflügeln, ist die Verschmelzung dieser beiden Aspekte in der Analyse von axialen Strömungsmaschinen zu beobachten. Insbesondere der Eintritt in den Instabilitätsbereich kann durch den aerodynamischen Wirbelgeneratoreffekt der Serrations verzögert werden, was sich unmittelbar auf die akustische Abstrahlcharakteristik niederschlägt. Fernab des Instabilitätsbereichs, bspw. unter Überlast- oder Designbedingungen, herrschen hingegen die akustischen Wirkprinzipien vor, welche zu einer breitbandigen Reduktion von Vorderkantenschall beitragen. Diese Aufteilung der aeroakustischen Serrationeffekte gilt es in zukünftigen Untersuchungen noch präziser zu beschreiben. Die Erhöhung der Rotorkomplexität erlaubte es, Interaktionseffekte der Serrations mit der Schaufelsichelung zu analysieren. Hier zeigen sich verstärkende Wirkeffekte, indem sowohl die Schaufelneigung als auch die Serrations zu einer Schallreduktion und einer Verbesserung der globalen aerodynamischen Performance beitragen. Verantwortlich gemacht werden lokale Wirkeffekte, wo die geneigte Schaufel Strömungsablösungen auf einen lokalen (Teil)Bereich des Schaufelblatts beschränkt. Fortgeführt wurden diese Analysen durch die lokale Applikation optimiert-parametrisierter Serrations entlang des Schaufelspanns, um ein Optimum an aeroakustischer Performance zu erzielen. Diese Erhöhung der Freiheitsgrade in der Parametrisierung und Auslegung von mit Serrations bestückten Rotoren zeigt ein erhebliches Potential zur multikriteriellen Optimierung. Auf der anderen Seite begründen die erzielten Ergebnisse das Bestreben einer Berücksichtigung weiterer Rotor-Designparameter, deren Wechselspiel bspw. in Form der radialen Lastverteilung, von Kopfspalteffekten, der Nabenkonfiguration etc. erheblichen Einfluss auf die aerodynamischen und aeroakustischen Eigenschaften haben können.
Publications
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Applicability of Aeroacoustic Scaling Laws of Leading Edge Serrations for Rotating Applications. Acoustics, 2(3), 579-594.
Biedermann, Till M.; Czeckay, Pasquale; Hintzen, Nils; Kameier, Frank & Paschereit, C. O.
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Multi-Objective Modeling of Leading-Edge Serrations Applied to Low-Pressure Axial Fans. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 142(11).
Biedermann, Till M.; Reich, M. & Paschereit, C. O.
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Aeroacoustic Interactions of Blade Skew and Leading Edge Serrations Applied to Low-Pressure Axial Fans. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power (2022, 9, 16).
Biedermann, Till M.; Hintzen, Nils & Kameier, Frank
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Statistical Modelling of Aerofoil Self-Noise Subjected to Structured Porous Trailing Edges. 28th AIAA/CEAS Aeroacoustics 2022 Conference (2022, 6, 13). American Geophysical Union (AGU).
Scholz, Max M.; Biedermann, Till; Chong, Tze Pei & Smith, Edward
