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Main Title: Schallentstehung durch Temperaturschwankungen in der Strömung einer Düse: Nachweis und Parameterstudie zum Entropieschall von Brennkammern
Translated Title: Noise Generation by Temperature Fluctuations in a Nozzle Flow: Proof of and Parameter Study on Entropy Noise of Combustion Chambers
Author(s): Bake, Friedrich
Advisor(s): Röhle, Ingo
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit konnte der Entstehungsmechanismus von Entropieschall erstmalig experimentell eindeutig und zweifelsfrei nachgewiesen werden. Bisherige experimentelle Forschung zum Thema Entropieschall an Brennkammertestständen ließen aufgrund der Komplexität des Systems nur indirekte Rückschlüsse auf die Existenz von Entropieschall zu. Zur Reduktion dieser Komplexität wurde daher in dieser Arbeit ein experimenteller Referenzteststand mit klar definierten Rand- und Strömungsbedingungen aufgebaut und betrieben. Durch elektrisches Heizen konnten in der Strömung klar definierte Entropiewellen erzeugt werden. Die Schallabstrahlung dieser einzelnen Entropiewellen bei der Beschleunigung durch eine Düse konnte daher genau vermessen und damit der experimentelle Nachweis von Entropieschall geführt werden. Außerdem wurden mit Hilfe dieses Versuchsaufbaus die Abhängigkeiten des Entropieschalls von verschiedenen relevanten Parametern untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden mit einer eindimensionalen Theorie aus den 70er Jahren verglichen. Dieser Vergleich ergab zwar in Bezug auf die Entropieschallamplitude die gleiche Größenordnung, in der Verteilung über die Düsenmachzahl wurde jedoch eine gewisse Abweichung deutlich, die sich mit der Vernachlässigung von mehrdimensionalen Effekten in der Theorie erklären lässt. Die Versuche an diesem Referenzteststand dienten auch zur Validierung von numerischen Simulationen zur Entstehung von Entropieschall. Im Weiteren wurde eine Brennkammer im Laborbetrieb aufgebaut und untersucht, an der vor allem praxisnahe Brennkammeraustrittsbedingungen (eine mit der Machzahl Ma = 1,0 durchströmte Düse) gegeben sind. Bei den Untersuchungen an diesem Brennkammerteststand wurde ein zum Teil sehr dominierender, bisher unbekannter Breitbandschallanteil in der abgestrahlten Schallleistung des Brennkammeraufbaus entdeckt, der in der Brennkammeraustrittsdüse entsteht. • Die Stärke dieses Breitbandschalls im Bereich von etwa 1000 bis 3200 Hz zeigte eine starke Abhängigkeit mit der Machzahl im engsten Querschnitt des Brennkammeraustritts. • Der über diesen Frequenzbereich aufsummierte Schalldruckpegel steigt exponentiell mit der Brennkammeraustrittsmachzahl. • Untersuchungen an vergleichbaren kalten Strömungen zeigten hingegen nicht diesen breitbandigen Schallentstehungsmechanismus, was den Schluss folgern lässt, dass dieser Breibandschall durch die Interaktion von kleinskaligen Entropiefluktuationen oder auch Wirbelstärkefluktuationen mit der turbulenten Düsenströmung der Brennkammer-austrittsdüse generiert wird. Dieser breitbandige Entropieschall- oder Wirbelschallmechanismus, auch indirekter Schall genannt, ist insofern von großer Bedeutung, da z.B. bei Hubschraubertriebwerken im Gesamtschallspektrum in etwa diesem Frequenzbereich eine bisher nicht identifizierte Schallquelle aus dem Brennkammer/Turbinen-Bereich einen deutlichen Anteil liefert. In der Fachliteratur werden diese Schallquellen auch als "core noise" bezeichnet. Mögliche zukünftige Untersuchungen sollten sich also vor allem auf diesen indirekten Breitbandschall konzentrieren, wobei sicherlich eine große Herausforderung die messtechnische Erfassung dieser kleinskaligen Entropie- und Wirbelstärkefluktuationen oder auch Entropie- und Wirbelstärketurbulenz sein wird.
For the first time the generation mechanism of entropy noise could be experimentally proven explicitly and doubtless within this work. Previous experimental research to the topic of entropy noise could draw only indirect conclusions on the existence of entropy noise due to the complexity of the physical mechanism. In order to reduce this complexity, a reference test rig with clearly defined boundary and flow conditions has been set up within this work. In this test rig well controlled entropy waves were generated by electrical heating. The noise emission of the entropy waves when they were accelerated in an adjacent nozzle flow was accurately measured and therewith the experimental proof of entropy noise could be provided. In addition to this a parametric study on the quantities relevant for entropy noise was conducted. The results of these investigations were compared to a one-dimensional theory of the 70th, showing the same order of magnitude but not the same trend for an increasing nozzle Mach number. The discrepancies can be explained by multi-dimensional effects which are neglected in the theory. Besides this the results obtained on the reference test rig could be used to validate numerical simulations of entropy noise generation. Furthermore, a laboratory combustor test rig was build and investigated with the following features: 1. Combustion chamber outlet-boundary conditions like in a real-scale aero-engine (outlet Mach number = 1.0), 2. the possibility of accurately measuring the acoustic properties of the combustor, especially the total emitted sound power, and 3. an optical access into the combustion chamber for laser diagnostics. The investigations on this combustor test rig provided manifestations on a very dominant contribution of entropy noise on the total emitted sound power of the system. An unknown broadband noise generation mechanism in the frequency range between 1 and 3.2 kHz was found which showed a strong dependency with the nozzle Mach number in the combustor outlet. The summed up broadband sound pressure level increases exponential with the nozzle Mach number. However, investigations of comparable cold flow conditions did not show this behavior which leaves the conclusion, that this noise is generated by the interaction of small-scale entropy or vorticity fluctuations with the turbulent nozzle flow in the combustion chamber outlet nozzle. This broadband entropy or vortex noise has also been observed in aero-engines in the interaction between combustion chamber and high pressure turbine and is called "core noise". This "core noise" has a strong relevance especially for turboshaft engines, since it occurs there hardly any jet noise on the exhaust side of the engine. Prospective investigations should focus on this broadband noise generation mechanism with the significant challenge of detecting and measuring the small-scale entropy and vorticity fluctuations also called entropy and vorticity turbulence.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-18888
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2188
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1891
Exam Date: 20-May-2008
Issue Date: 27-Jun-2008
Date Available: 27-Jun-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Direkter und indirekter Brennkammerschall
Entropieschall
Entropiewellen
Verbrennungslärm
Direct and indirect combustion noise
Entropy noise
Entropy waves
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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