ISBN 9783843943772

978-3-8439-4377-2, Reihe Strömungsmechanik

Marius Terstegen
Einfluss aeroakustischer Rotor-Stator-Wechselwirkungen auf fremderregte Schaufelschwingungen in einem 2,5-stufigen Axialverdichter

160 Seiten, Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2020), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In dieser Arbeit wird der Einfluss aeroakustischer Rotor-Stator-Wechselwirkungen auf die Anregung fremderregter Schaufelschwingungen untersucht. Es wird sich auf in Resonanz angeregte Schwingungen bei der Schaufelwechselfrequenz des stromab liegenden Stators konzentriert. Versuchsgegenstand ist ein hoch subsonischer 2,5-stufiger Triebwerkshochdruckverdichter. Die Analysen werden anhand experimenteller und numerischer Daten durchgeführt. Die numerische Bestimmung der Schaufelschwingspannungen erfolgt anhand entkoppelter strukturdynamischer und aerodynamischer Simulationen in Kombination mit der Energiemethode. Für die numerische Strömungsberechnung werden sowohl das lineare (LinearTRACE) als auch das nichtlineare (TRACE Harmonic Balance) Frequenzbereichsverfahren des Strömungslösers TRACE verwendet. Es hat sich gezeigt, dass die gemessenen Schaufelschwingspannungen höherer Modenordnungen durch LinearTRACE um bis zu 99% unterschätzt werden. Im Gegensatz zu LinearTRACE können akustische Moden aus instationären Rotor-Stator-Wechselwirkungen automatisch innerhalb der Methode TRACE Harmonic Balance berücksichtigt werden. Zur Validierung ihrer Vorhersagegüte werden die Ergebnisse experimenteller und numerischer Azimutalmodenanalysen verglichen. Die Modenzerlegungen wurden auf Basis eines aus der Compressed Sensing Theorie stammenden Orthogonal Matching Pursuit Ansatzes durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass die dominanten Azimutalmodenordnungen durch TRACE Harmonic Balance in Übereinstimmung mit dem Experiment vorhergesagt werden. Die Berücksichtigung der durch instationäre Rotor-Stator-Wechselwirkungen angeregten Azimutalmodenordnungen führt zu einer signifikanten Verbesserung der Schwingspannungsvorhersage. Die Berechnungen weichen im Mittel um 21% vom Experiment ab. Damit wird in dieser Arbeit nachgewiesen, dass aeroakustische Rotor-Stator-Wechselwirkungen ein wichtiger und für die numerische Schwingspannungsvorhersagen zu berücksichtigender Einflussfaktor sind.