Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5929
Main Title: Die Wirkung von Bifurkationen auf die Fantöne in Flugzeugtriebwerken
Translated Title: Impact of bifurcations on the fan tones in aero engines
Author(s): Holewa, Axel
Advisor(s): Guérin, Sébastien
Referee(s): Enghardt, Lars
Peitsch, Dieter
Schnell, Rainer
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Bifurkationen sind große Einbauten im Nebenstromkanal von Zweistromtriebwerken, die u.a. die Triebwerksaufhängung umhüllen. Sie können die Durchströmung des Kanals erheblich blockieren und durch ihre Aufstauwirkung die gleichmäßige Durchströmung der Fanstufe stören. Seitens der Hersteller gibt es das Bestreben zukünftige Triebwerke kürzer zu gestalten, um Gewicht und letztlich Treibstoff einzusparen. Ein kleinerer Abstand zwischen Fanstufe und Bifurkationen könnte jedoch aufgrund der größeren Wechselwirkung die Schallanregung in der Fanstufe und die Schallabstrahlung ins Fernfeld verstärken. In der vorliegenden Arbeit wird ein von Rolls-Royce Deutschland zur Verfügung gestelltes Streben-Bifurkationen-System durch eine Modifikation der Streben hinsichtlich einer möglichst geringen Wirkung auf die Fanstufe automatisiert optimiert. Die Anstellwinkel der Streben werden modifiziert und zusätzlich wird eine Profilkrümmung eingeführt. Die Strömung wird mittels stationärer RANS-Rechnungen simuliert. Bei etwa gleichem Totaldruckverlust kann die Störung der Strömung stromauf des Systems als über den Umfang gemessener Effektivwert des Drucks durch eine geeignete Wahl der Anstellwinkel um etwa ein Drittel verringert werden. Eine zusätzliche Profilkrümmung ermöglicht eine weitere Verbesserung mit einem um etwa die Hälfte verringerten Effektivwert. Die Wirkung des optimierten Streben-Bifurkationen-Systems auf die Anregung von Tönen in der Fanstufe wird anhand einer isolierten und einer um das Streben-Bifurkationen-System erweiterten, installierten Fanstufe untersucht. Der zeitlich periodische Teil der Strömung wird dazu mit dem U-RANS-Verfahren für einen Betriebspunkt mit hoher Rotordrehzahl berechnet. Mittels einer Modenanalyse werden die Schallleistungsspektren für die erste und zweite Harmonische der Blattfolgefrequenz im Einlauf- und im Nebenstromkanal bestimmt. Es wird gezeigt, dass Simulationen mit quasi-3-D Rechengebieten sehr gut für qualitative Aussagen geeignet sind, zur Gewinnung quantitativer Aussagen jedoch die gesamte Kanalhöhe mit 3-D Rechengebieten erfasst werden muss. Das starke Potentialfeld der Bifurkationen fällt räumlich nur langsam entlang der Maschinenachse ab und führt zu einer ungleichmäßigen Durchströmung der Fanstufe. Die Bewegung des Rotors durch Bereiche mit abwechselnd erhöhtem und verringertem Druck resultiert wiederum in einer periodischen Vor- und Zurückbewegung der bei dem betrachteten Betriebspunkt stark ausgeprägten Verdichtungsstöße entlang der Rotorsehne und damit in einer Streuung der angeregten Moden in zusätzliche azimutale Ordnungen. Hierbei entstehen auch Moden kleinerer Ordnung, die prinzipiell auch bei kleineren Drehzahlen als akustische Wellen ausbreitungsfähig sind und vom Triebwerk abgestrahlt werden können. Darüber hinaus können Moden kleinerer azimutaler Modenordnung i. Allg. weniger durch akustische Liner gedämpft werden. Der Rotornachlauf wird ebenfalls durch das Potentialfeld der Bifurkationen räumlich modifiziert, wodurch auch bei der Rotor-Stator-Interaktion eine Modenstreuung auftritt. Die ursprünglichen Interaktionsmoden werden um bis zu 3 dB schwächer angeregt. In der Summe über alle Moden ist die im Nebenstromkanal bestimmte Schallleistung jedoch bei beiden Frequenzen jeweils um etwa 1-2 dB größer als im Fall der isolierten Fanstufe. Darüber hinaus ist die Funktionalität eines möglicherweise zur Auslegung der Fanstufe gewählten Cut-Off-Designs durch die Streuung der Interaktionsmoden gefährdet. Die Analyse der instationären Druckkräfte auf dem Rotor, dem Stator und den zusammen mit einer Bifurkation vereinfacht als Ringquelle betrachteten Streben wird für eine Schallquellenlokalisierung herangezogen. Die stärksten Quellen befinden sich demnach auf dem Stator, gefolgt von den Quellen auf den Streben und der Bifurkation.
Bifurcations are large components in the bypass duct of turbofan engines that enclose the engine mount structure. They can significantly block the flow through the duct and due to their potential effect, they can disturb the uniform flow throughout the fan stage. Manufactures attempt to design future engines with shorter nacelles in order to reduce weight, which saves fuel. But due to a stronger interaction, a smaller distance between the fan stage and the bifurcations might increase the generation of tones in the fan stage and the radiation to the far field. In the present work a strut-bifurcation system provided by Rolls-Royce Deutschland is automated optimised to minimise the impact on the fan stage. The stagger angles of the struts are modified and a cambering of the strut profiles is introduced. The flow is simulated by means of steady RANS calculations. The root mean square of the pressure distribution measured along the circumference upstream of the system can be reduced by about one third by suitably chosen stagger angles, while the total pressure loss of the system remains approximately unchanged. An additional cambering of the struts allows for a further improvement, so that the root mean square of the pressure distribution can be reduced by about half. The impact of the optimised strut-bifurcation system on the generation of tones in the fan stage is studied in-depth by means of an isolated fan stage and an installed fan stage that includes the strut-bifurcation system. The time-periodic part of the flow is computed for an operating point with high rotor rotational speed using the U-RANS method. A mode analysis is used to determine the sound power spectra for the first and second harmonic of the blade passing frequency in the inlet and bypass duct. It is shown that quasi-3-D computational domains are very well suited for drawing qualitative conclusions, whereas quantitative conclusions require the consideration of the complete duct height with 3-D computational domains. The strong potential field of the bifurcations spatially decays only slowly along the engine axis and leads to a non-uniform flow through the fan stage. Therefore, the rotor moves through areas with alternatingly increased and decreased pressure which causes the shocks---strongly pronounced at the considered operating point---to move periodically forward and backward along the rotor chord. As a consequence the shock pattern is subject to mode scattering generating modes with additional azimuthal orders. This includes modes of lower order which can generally propagate in terms of acoustic waves at lower rotational speeds and radiate from the engine. Furthermore, modes with lower azimuthal order are usually less attenuated by acoustic liners. Due to the potential field of the bifurcations the rotor wake is modified as well and therefore mode scattering related to the rotor-stator interaction also occurs. The original interaction modes are weaker by about 3 dB, but the sum of the sound power over all modes in the bypass duct is larger by 1-2 dB for each of the two frequencies compared to the isolated fan stage. Furthermore, the functionality of a possibly chosen cut-off design is jeopardized by the scattering of the interaction modes. The analysis of the unsteady pressure forces at the rotor, the stator, and the struts and one bifurcation, which are considered in a simplified way as a ring of sources, is used for a source break down. Hence, the strongest sources are located on the stator, followed by the sources on the struts and the bifurcation.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6379
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5929
Exam Date: 12-Jan-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 30-May-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Turbomaschine
Flugzeugtriebwerk
Strömungsakustik
Akustik
Bifurkation
Rotor-Stator-Interaktion
CFD
turbomachinery
aero engine
aeroacoustics
acoustics
bifurcation
rotor-stator interaction
computational fluid dynamics
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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