Forschung im HLRN-Verbund 2011

112Strömungssimulationen zur Lärmminderung von FlugtriebwerkenNumerical Investigation of Noise Generation and Reduction in Turbofan EnginesM. Steger, U. Michel, F. Thiele, Institut fürStrömungsmechanik und Technische Akustik,Technische Universität BerlinKurzgefasst• Insbesondere bei der Landung liefert das Fangeräuscheinen wesentlichen Anteil an derGeräuschentwicklung moderner Flugtriebwerke.• Durch die auch in künftigen Triebwerksgenerationenweiter anwachsenden Triebwerksdurchmesser(Zunahme des Nebenstromverhältnissesbzw. Mantelmassenstroms) trittdas Fangeräusch weiter in den Vordergrund.• Das Spektrum des Fangeräusches wird von diskretenFrequenzen (Töne bei der Blattfolgefrequenzund den höheren Harmonischen) dominiert.Diese Töne resultieren im Wesentlichenaus der zeitlich periodischen Wechselwirkungder Strömung des rotierenden Fans (Rotor)mit den nicht-rotierenden Schaufeln (Stator).Durch den stochastischen Schwankungsanteilder Strömung (Turbulenz) wird zudem einBreitbandgeräusch (Rauschen) abgestrahlt.• Durch Einblasen im Blattspitzenbereich des Fanswird ein Gegenschallfeld erzeugt, was zu einerLärmminderung des gesamten abgestrahltenSchallfeldes führen soll.• Hochauflösende Rechenverfahren auf der Basisvon sogenannten ”Detached Eddy Simulationen“(DES) bieten die Möglichkeit, nebenden Tönen auch den Breitbandanteil des akustischenSpektrums zu erfassen. Diese Simulationensind sehr rechenintensiv und können dahernur auf modernen Großrechenanlagen durchgeführtwerden.Einen wesentlichen Beitrag für die gesamteGeräuschentwicklung moderner Turbostrahltriebwerkemit hohen Nebenstromverhältnissen liefertder Fanlärm. Kennzeichnend für die Weiterentwicklungder in der Vergangenheit eingesetztenTriebwerksgenerationen ist die kontinuierlicheZunahme der realisierten Nebenstromverhältnisse.Die daraus resultierenden steigendenMassendurchsätze führen bei gleich bleibendemSchubimpuls zu verringerten Strahlgeschwindigkeiten.Dies hat neben aerodynamischenVorteilen durch einen verbesserten Vortriebswirkungsgradauch eine deutliche Reduktion desStrahllärms zur Folge. Besonders beim Landeanflugeines Flugzeugs verliert der zuvor den Gesamtschallpegeldominierende Strahllärm entsprechendzunehmend an Bedeutung, wohingegen derFanlärm durch die anwachsenden Fanschaufelnweiter in den Vordergrund gerät. Von großemInteresse ist daher die Entwicklung geeigneterGeräuschminderungsmaßnahmen des Fanlärms,welche sich zudem in künftigen Triebwerksentwicklungenpraktisch realisieren lassen.Das Fangeräusch wird durch stark unterschiedlicheströmungsakustische Quellmechanismen erzeugtund besteht im akustischen Spektrum sowohlaus tonalen als auch aus breitbandigen Komponenten.Befindet sich die Blattspitzengeschwindigkeitdes Fans im Unterschallbereich, wird dasabgestrahlte Schallfeld von diskreten Frequenzen(Tönen) bei der Blattfolgefrequenz (BPF) undden höheren Harmonischen dominiert. In diesenFällen können zeitlich periodische Wechselwirkungen,wie die Interaktion der Rotornachläufemit den stromab befindlichen Statorschaufeln oderdie Wechselwirkung der Rotorschaufeln mit einerungleichmäßigen Zuströmung als wesentlicheGeräuschentstehungsmechanismen zugeordnetwerden. Die in dem abgestrahlten akustischenSpektrum zusätzlich zu beobachtenden Breitbandanteilehaben dagegen ihren Ursprung in den stochastischenSchwankungsbewegungen der turbulentenStrukturen in der Strömung.Ein Ziel des Projektes ist die aktive Minderungder tonalen Geräuschentwicklung modernerFlugtriebwerke mit hohen Nebenstromverhältnissen.Dazu wird das durch dieRotor/Stator-Wechselwirkung erzeugte Schallfeldmit einem zusätzlich generierten Gegenschallfelddestruktiv überlagert. Im Gegensatz zu konventionellenTechniken, in denen Lautsprecher fürdie Erzeugung des Gegenschallfeldes zur Anwendungkommen, wird hier das Gegenschallfeld aeroakustischdurch die Beeinflussung der Schaufelumströmungim Blattspitzenbereich des Rotorsmittels Lufteinblasung erzeugt (siehe hierzu auchAbbildung 1).Einen Beitrag zu dem Breitbandgeräusch liefertneben den turbulenten Strukturen der Schaufelumströmungauch die stark instationäre Spaltströmungin Verbindung mit dem Blattspitzenwirbeldes Rotors. Durch die Einblasung im Blattspitzenbereichdes Rotors wird ein zusätzlicher Breitbandanteildurch die Interaktion der Blattspitzenströmungmit dem Luftstrahl der Einblasung erwartet.Ein weiteres Ziel der Untersuchungen ist daher,inwieweit auch das Breitbandgeräusch durchdie Einblasung beeinflusst wird.Ingenieurwissenschaften