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Main Title: Aktive Minderung des Drehklangs einer axialen Fanstufe mittels Drucklufteinblasung in den Blattspitzenbereich
Translated Title: Active noise control of tonal noise of an axial fan stage by means of air injection into the blade tip region
Author(s): Lemke, Olaf
Advisor(s): Enghardt, Lars
Referee(s): Enghardt, Lars
Jacob, Marc C.
Peitsch, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die meisten konventionellen Verfahren zur aktiven Geräuschminderung verwenden Lautsprecher als Aktuatoren, um ein geeignetes Gegen- bzw. Sekundärschallfeld anzuregen. Die Minderung - im Idealfall die Auslöschung - des störenden Grundgeräusches bzw. Primärschallfeldes erfolgt durch destruktive Überlagerung mit einem Gegenschallfeld gleicher Amplitude aber entgegengesetzter Phasenlage. In dieser Arbeit erfolgt die Weiterentwicklung eines existierenden alternativen Verfahrens zur Minderung des Drehklangs einer Turbomaschine, bei dem das Gegenschallfeld über eine zusätzliche Anregung von aero-akustischen Sekundärschallquellen erzeugt wird. Hierbei wird Druckluft durch kleine in der Gehäusewand befindliche Düsen stationär in den Blattspitzenbereich zwischen Rotor und Stator eingeblasen. Die Interaktion der Rotorströmung mit den Einblasstrahlen führt zu einer zusätzlichen Anregung von instationären und periodischen Oberflächenkräften auf der Rotorbeschaufelung, wodurch ein geeignetes Sekundärschallfeld angeregt wird. Das Verfahren zeigte in den Vorarbeiten ein hohes Potential zur Pegelminderung bei der Blattpassierfrequenz. Dabei erfolgte die Anpassung von Amplitude und Phasenlage des generierten Sekundärschallfeldes im Wesentlichen durch die Einblasmenge und die Umfangsposition der Düsen gegenüber der Position der Statorschaufeln. Ein Schwerpunkt der Erweiterung ist die gezielte aktive Minderung höherer harmonischer Anteile des Drehklangs einer axialen Fanstufe. Dabei steht die Beeinflussung höherer akustischer Umfangsmoden und deren zugehörigen radialen Modenordnungen im Vordergrund. Zunächst werden experimentelle Ergebnisse der Einblasung mit einem Düsenring vorgestellt. Hier wird das generelle Verhalten der höher harmonischen Schallfeldanteile untersucht und vorgestellt. Die optimalen Einblasmengen und Umfangspositionen in den Pegelminima der jeweiligen Schallfeldanteile unterscheiden sich jedoch, so dass eine simultane Minderung zunächst nicht direkt möglich erscheint. Daher werden im Weiteren zahlreiche Einblasparameter der Düsen wie der Einblaswinkel, die Einblasrichtung sowie die Düsengeometrie variiert. Untersucht wird deren Einfluss auf die Amplitude und die Phasenlage der generierten Anteile innerhalb des Sekundärschallfeldes. Ziel ist es, die spektrale Zusammensetzung des Primär- im Sekundärschallfeld nachzubilden, um so Pegelminderungen für mehrere Drehklanganteile simultan zu erreichen. Die gezielte aktive Minderung zweier Drehklangkomponenten erfolgt durch die Erweiterung des vorhandenen Versuchsaufbaus mittels eines zweiten Einblasringes mit gleicher Anzahl von Einblasdüsen. Die als dicht axial gestaffelt ausgeführten beiden Düsenringe sind jeweils in ihrer Einblasmenge und Umfangsposition unabhängig voneinander einstellbar. Das durch die Beeinflussung mit beiden Ringen generierte Sekundärschallfeld kann als Superposition der durch die Einzelringe angeregten Sekundärschallfelder aufgefasst werden. Basierend auf dieser Annahme wird ein semi-empirisches Modell vorgestellt, wodurch sich das akustische Systemverhalten beschreiben lässt. Am Beispiel der Blattpassierfrequenz und deren erster Harmonischer wird gezeigt, wie sich mit dem Modell die optimalen Beeinflussungsparameter beider Einblasringe bestimmen lassen. Das abschließende Validierungsexperiment zeigt die gezielte simultane Minderung der zugehörigen Umfangsmodenordnungen um jeweils bis zu 29 dB bei den durch das Modell vorab bestimmten Einblasparametern.
Conventional approaches in active noise control use loudspeakers to generate an appropriate anti- or secondary sound field respectively. The noise reduction - ideally the cancellation - of the noisy baseline or rather the primary sound field is achieved by destructively superimposing a secondary field of equal amplitude but opposite phase. In this study an existing alternative approach to cancel out tonal interaction noise of a turbomachinery is extended. The method uses additional flow induced secondary sources to form a secondary sound field. This is done by blowing compressed air stationary into the downstream rotor flow tip region via wall flush mounted nozzles in the casing. The interaction of the rotor flow with the injected jets leads to an additional excitation of unstady periodic forces on the rotor blade surfaces that form the required secondary sound field. In previous studies these method showed a high potential to reduce the sound pressure level of the blade passage frequency. The amplitude and phase of the secondary sound field was controlled by both the injection rate and the circumferential nozzle position in a stator passage. The present work focus on the reduction of higher harmonics of the blade passage frequency of an axial fan stage by extending the existing method of air injection. This is achieved by active controlling the higher acoustic circumferential mode orders and the corresponding higher radial mode orders. At first, experimental results of air injection through one nozzle ring are discussed. These results demonstrate the general behaviour of the higher harmonic sound field components. The optimum injection flow and circumferential nozzle position that results in a maximum noise reduction depend on the individual tonal component. Consequently, for a given injection rate and circumferential nozzle position which suppress the noise for one tonal component optimally these injection parameters does not necessarily lead to maximal noise reductions of further tonal components. In order to achieve the simultaneous reduction of several tonal components, additional nozzle parameters like injection angle, injection direction and nozzle geometry are varied. The impact on amplitude and phase of the individual tonal components of the secondary sound field are investigated in detail. The aim of this approach is to match the spectral composition of the generated secondary sound field with the primary field indirectly to reduce different tonal components simultaneously. In order to directly control the sound pressure level of two tonal components simultaneously the existing test setup is extended by a second nozzle ring with an equal number of nozzles. Both nozzle rings are axial staggered closely to each other. Injection rates and circumferential nozzle position can be adjusted individually for each of the two rings. The generated secondary sound field is assumed to be a superimposition of the secondary sound fields generated by each ring individually. Based on this assumption a linear semi-empirical model is introduced that describes the acoustic response of the whole system. For the blade passage frequency and its first harmonic the model is used to determine the optimal injection rates and circumferential nozzle positions of both rings to reduce the noise of both tonal components simultaneously. At last, a validation experiment is presented that uses the optimum nozzle parameters predicted by the model to achieve reductions in the sound pressure level of the dominant interaction modes by up to 29 dB each.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-54686
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4417
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4120
Exam Date: 15-Oct-2013
Issue Date: 18-Jul-2014
Date Available: 18-Jul-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aero-Akustik
Aktive Geräuschminderung
Modenanalyse
Rotor-Stator
Turbomaschine
Active noise control
Aero-acoustic
Mode analyses
Rotor-stator
Turbomachinery
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