Aeroakustik, Aeroelastik & Windenergie

Instationäre Schaufel-Wechselwirkungen und Strömungsphänomene in Turbomaschinen können erhebliche Schallemissionen hervorrufen. Darüber hinaus können akustische Resonanzen entstehen, die nicht nur die Schallpegel erhöhen, sondern auch Vibrationen der Maschinenstrukturen auslösen können. Die Analyse und Bewertung des entstehenden und sich ausbreitenden Lärms sind dementsprechend entscheidend für die akustische Optimierung und die Sicherheit von Turbomaschinen. Am TFD arbeiten wir daher an der präzisen Vorhersage der akustischen Verhältnisse. Zu diesem Zwecke setzen wir sowohl numerische Methoden im Zeit- und Frequenzbereich als auch analytische Modelle ein.

Experimentelle akustische Untersuchungen an herkömmlichen Verdichter- und Turbinenprüfständen sind oft schwierig, da es an kontrollierten akustischen Randbedingungen mangelt. Am TFD steht mit dem aeroakustischen Windkanal (AWT) jedoch ein Prüfstand zur Verfügung, der solche Bedingungen gezielt erzeugen kann. Durch den Einsatz eines Schallgenerators lassen sich dem Strömungsfeld künstliche akustische Moden auferlegen, deren Ausbreitungsverhalten wir mittels experimenteller Radialmodenanalyse durch Schaufelreihen hindurch genau untersuchen können. Neben instationären Druckaufnehmern, wie Kulites und Mikrofonen, wird für die flächige Messung von instationären Drücken auf drucksensitive Farbe eingesetzt.

Um die Reproduzierbarkeit von akustischen Messungen zu gewährleisten und Schaufelreihen unter akustisch optimierten Randbedingungen zu untersuchen, müssen neben aerodynamischen auch akustische Ähnlichkeitsbeziehungen angewendet werden. Dies ermöglicht es die Schaufelreihen unter repräsentativen akustischen Randbedingungen in akustisch optimierten Prüfständen zu untersuchen. Am TFD werden entsprechende Ähnlichkeitsbeziehungen für die Schallentstehung und -ausbreitung entwickelt und validiert.

Für die Validierung der aeroelastischen Modelle werden experimentelle Validierungsdaten an den Prüfständen des TFD generiert. Die Untersuchungen finden an den realitätsnahen Turbinen- und Verdichterprüfständen des TFD statt. Zusätzlich erlauben die fortschrittlichen Messtechniken die experimentelle Untersuchung von physikalischen Phänomenen. Dafür sind explizit für aeroelastische Untersuchungen ausgelegte Prüfstandskonfigurationen vorhanden.

Verwendete Messtechniken sind:

• Tip-Timing
• Dehnungsmessstreifen
• Instationäre Druckaufnehmer
• Digitale Bildkorrelation
• Drucksensitive Farbe

Durch die Wechselwirkungen zwischen rotierenden und stehenden Schaufeln in Turbomaschinen treten stets instationäre Anregungskräfte auf, die Schaufelschwingungen anregen und zum Schaufelversagen (high cycle fatigue) führen können. Am TFD werden numerische Zeit- und Frequenzbereichsverfahren in Struktur- und Aerodynamik genutzt, um die Vorhersage von Schaufelschwingungen zu verbessern und Verfahren zu entwickeln, die die Schwingungsamplituden reduzieren. Unsere Forschungsschwerpunkte liegen hierbei auf akustischen- sowie Mehrstufeneffekten, thermischen Strähnen, der Schaufel-Rotor-Kopplung, dem Mistuning, der Fan-Intake-Kopplung, der Seitenwindanregung im Fan sowie dem Mode Shape Tailoring durch Faserverbundwerkstoffe.

Nicht-synchrone Schwingungen treten bei nicht-ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz auf und sind deshalb anspruchsvoller vorherzusagen. Bei der Auslegung von Turbomaschinen muss die aeroelastische Stabilität der Beschaufelung, d. h. positive aerodynamische Dämpfung, gewährleistet werden. Ist diese nicht gegeben kommt es zum Flattern.  Am TFD setzen wir daher ein akustisches Anregungssystem zur Bestimmung der Schaufeldämpfung im Betrieb ein. Ein weiteres relevantes Schwingungsphänomen sind konvektive nicht-synchrone Schwingungen, die durch über den Umfang rotierende aerodynamische Störungen (rotierende Instabilitäten) angeregt werden. Beides gefährdet den sicheren Betrieb. Daher arbeiten wir am TFD an verbesserten Verfahren zur Vorhersage und einem besseren Verständnis der Phänomene. Um Flatter und konvektive nicht-synchrone Schwingungen zu vermeiden nutzen wir neben konventionellen Maßnahmen zudem das Mode Shape Tailoring durch Faserverbundwerkstoffe.

Durch fluktuierende Windfelder und Schwingungen der Rotorblätter von Windenergieanlagen erfahren die Profile von Windenergieanlagen stetig variierende Zuströmbedingungen. Dabei kann ein Profil kurzzeitig einen deutlich höheren Auftrieb erzeugen, als dies unter statischen Bedingungen der Fall wäre. Dieser dynamische Strömungsabriss erzeugt jedoch auch instationäre Lasten auf der Struktur, die in der Auslegung berücksichtig werden müssen. Am TFD entwickeln wir deshalb Modelle reduzierter Ordnung, die geeignet für den Auslegungsprozess von Windenergieanlagen sind und diese dynamischen Effekte abbilden können.

Beim Vorbeilaufen eines Rotorblatts am Turm einer Windenergieanlage kommt es zu instationären Wechselwirkungen, die Risiken für die Lager, den Antriebsstrang, den Turm und die Rotorblätter darstellen können und Schwankungen in der Leistung hervorrufen. Um diese Effekte besser zu verstehen und sie in zukünftigen Designs berücksichtigen zu können, entwickeln wir am TFD innovative Messtechniken. Dazu gehören beispielsweise Druckmessgurte, die am Turm angebracht werden. Auf Basis dieser Messungen erarbeiten wir Modelle reduzierter Ordnung, auch bekannt als Turm-Einflussmodell, die wir für die Auslegung von Windenergieanlagen entwickeln, validieren und kontinuierlich weiter optimieren.

Im Betrieb von Windenergieanlagen können erhebliche Verformungen auftreten, die sowohl die Leistung als auch die Sicherheit der Anlagen beeinträchtigen. Konventionelle Messysteme an Windenergieanlagen liefern jedoch nicht genügend Daten für eine umfassende Analyse solcher Verformungen. Am TFD setzen wir daher die digitale Bildkorrelation (DIC) ein und entwickeln diese weiter, um flächige Verformungsmessungen an den Rotorblättern durchzuführen. Damit können sowohl Biege- als auch Torsionsverformungen bzw. -schwingungen der Rotorblätter über längere Zeiträume hinweg präzise analysiert werden.