Spaltverluste und Geräusche bei axialen Turbomaschinen

Der Schaufelspitzenbereich einer axialen Turbomaschine, der prinzipbedingt stets einen Spalt zwischen der rotierenden Schaufel und dem Gehäuse aufweist, ist von großer Bedeutung für deren aerodynamische und akustische Charakteristik. Mit experimentellen, numerischen und analytischen Methoden wird in dieser Arbeit ein Verständnis für die aerodynamischen Verluste und die Geräusche, die mit diesem Bereich assoziiert werden, generiert.

Bei den experimentellen Untersuchungen an einem Akustikprüfstand wurden verschiedene Axialventilatorkonfigurationen akustisch und aerodynamisch vermessen. Neben einer systematischen Variation der Spalthöhe, des Schaufelwinkels sowie des Betriebspunktes bei verschiedenen Schaufelgeometrien wurden das Nabenverhältnis, die Anzahl der Leitradschaufeln und die Reynoldszahl variiert.

Einen genaueren Einblick in die Strömungsvorgänge in der Spaltregion lieferten numerische Simulationen an gezielt ausgewählten Konfigurationen und Betriebspunkten. Durch die Visualisierung des berechneten Strömungsgebiets konnte der Einfluss von Spalthöhe und Betriebspunkt auf die Lage und Größe des Spaltwirbels gezeigt werden. Die Auswirkungen der Interaktion des Spaltwirbels mit der Druckseite der benachbarten Schaufel auf das akustische Frequenzspektrum wurden in Verbindung mit den experimentellen Ergebnissen nachgewiesen.

Es wurden sowohl primäre als auch sekundäre Maßnahmen zur Reduktion des Schalls untersucht. Mittels einer konturierten Gehäuseoberfläche konnte gezielt die Entstehung des Spaltwirbels beeinflusst und der positive Effekt auf Aerodynamik und Akustik gezeigt werden. Zusätzlich konnte der entstandene Schall durch sekundär wirkende Dämmmaterialien nochmals gemindert werden. Die deutliche Reduzierung des emittierten Schalls wurde durch eine breitbandige Absenkung der Schallpegel infolge der Dämmmaterialien, verbunden mit leichten Verlusten in Druckaufbau und Wirkungsgrad, erreicht.

Die gewonnenen Ergebnisse über die Spaltverluste münden in ein sehr einfach aufgebautes physikalisches Modell, das eine Abschätzung des Spaltverlusts ohne die detaillierte Kenntnis der Geometrie der Schaufeln erlaubt. Mittels Messergebnissen aus dieser Arbeit und weiteren Spaltuntersuchungen wurde das Modell validiert und ein möglicher Anwendungsfall durch eine Skalierungsmethode gezeigt.