Konzeption eines praxisnahen Versuchsstandes zur Untersuchung von Leading Edge Serrations als Proof-of-Concept

  • Der Einsatz von Leading Edge Serrations (gezackte Tragflächenvorderkanten) als Schallminderungsmaßnahme bei hochturbulenter Anströmung wurde bisher maßgeblich in Form von eben im Windkanal gelagerten, modifizierten Tragflügeln untersucht. Diese Untersuchungen dienten der aeroakustischen Designoptimierung und der Identifikation von Wirkmechanismen anhand eines simplifizierten Systems. Das zukünftige Einsatzgebiet dieser neuartigen Modifikation wird im Bereich von Windenergieanlagen, Flugzeugtriebwerken und kontrarotierenden Rotoren der nächsten Generation aber auch bei gängigen Axialverdichtern gesehen. Der Transfer der im ebenen System erhaltenen Erkenntnisse in Richtung einer rotierenden Applikation erfordert die Berücksichtigung einer Vielzahl an zusätzlichen Einflussgrößen, welche die aerodynamische und aeroakustische Effizienz der Leading Edge Serrations in Form verstärkender oder auch hemmender Effekte signifikant beeinflussen können. Im durchgeführten Projekt wurde untersucht,Der Einsatz von Leading Edge Serrations (gezackte Tragflächenvorderkanten) als Schallminderungsmaßnahme bei hochturbulenter Anströmung wurde bisher maßgeblich in Form von eben im Windkanal gelagerten, modifizierten Tragflügeln untersucht. Diese Untersuchungen dienten der aeroakustischen Designoptimierung und der Identifikation von Wirkmechanismen anhand eines simplifizierten Systems. Das zukünftige Einsatzgebiet dieser neuartigen Modifikation wird im Bereich von Windenergieanlagen, Flugzeugtriebwerken und kontrarotierenden Rotoren der nächsten Generation aber auch bei gängigen Axialverdichtern gesehen. Der Transfer der im ebenen System erhaltenen Erkenntnisse in Richtung einer rotierenden Applikation erfordert die Berücksichtigung einer Vielzahl an zusätzlichen Einflussgrößen, welche die aerodynamische und aeroakustische Effizienz der Leading Edge Serrations in Form verstärkender oder auch hemmender Effekte signifikant beeinflussen können. Im durchgeführten Projekt wurde untersucht, inwieweit sich diese durch Buckelwale und Eulen inspirierten Tragflächen auf rotierende Systeme übertragen lassen, ohne Einbußen ihrer bereits bestätigten vorteilhaften aeroakustischen und aerodynamischen Eigenschaften zu erleiden. Von besonderem Interesse waren hier etwaige Einflüsse der mit dem Radius variierenden Umfangsgeschwindigkeit sowie der im Praxisfall stark variierenden Anströmrichtungen und –zustände. In diesem Sinne wurde ein experimenteller Versuchsstand in Anlehnung an die DIN EN ISO 5136 zur simultanen Vermessungen der aeroakustischen und aerodynamischen Eigenschaften konzipiert. Ein eigens konzipierter Modellrotor in Form eines Axialverdichters ermöglichte einen flexiblen Austausch der Rotorblätter, was die Möglichkeit einer kosten- und zeitsparenden Variation der Rotorblattgeometrien bietet. Im Rahmen des Projektes konnten neben der Konzeption des Versuchsstandes im Rahmen einer experimentellen Proof-of-Concept Studie und einer umfangreichen Quantifizierung der Zuströmbedingungen auch das Schallreduktionspotential der untersuchten Applikation im rotierenden System nachgewiesen werden. Eine Variation verschiedener aerodynamischer und geometrischer Einflussgrößen lässt zudem allgemeingültige Aussagen bezüglich der zugrundeliegenden Abhängigkeiten zu. Zudem führten parallele Untersuchungen mittels Array-Beamforming mit dem Ziel der Schallquellenlokalisationen zu wertvollen Transfererkenntnissen bezüglich des Einsatzes von Leading Edge Serrations im rotierenden System. Eine erste Untersuchung zur möglichen Approximation der Wirkzusammenhänge von Einfluss- und Zielgrößen wies ein hohes Potential zur komplexen Modellbildung mittels neuronaler Netze aus. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem tieferen Verständnis der zugrundeliegenden Wirkmechanismen von Leading Edge Serrations bei und unterstützten in der Definition weiterer verbleibender Forschungslücken, deren Erforschung im mittel- bis langfristigen Kontext einen Beitrag zu einer industriellen Verwertung dieser Applikation und somit zu einer Reduktion der Lärmbelastung der Bevölkerung leistet.show moreshow less
  • Leading Edge Serrations are well known for their superior performance in reducing aerofoil-gust-interaction noise as well as beneficial aerodynamic properties such as delayed stall effects and an increased post stall performance. However, up to now, Leading Edge Serrations were mainly analysed in a rigidly mounted setting in front of free jets or in cascade applications in order to investigate fundamental effects and to study the underlying aerodynamic and aeroacoustic principles. Eventually, these serrations are intended to be used in rotating systems such as turbomachines, counter rotating rotors or fans and blowers. Even wind energy turbines represent a possible field of application. The transfer of the rigidly well-analysed serration effects to the rotating frame, though, poses one of the main obstacles for successfully implementing Leading Edge Serrations as a passive noise reduction application as several additional parameters and varying boundary conditions might affect theLeading Edge Serrations are well known for their superior performance in reducing aerofoil-gust-interaction noise as well as beneficial aerodynamic properties such as delayed stall effects and an increased post stall performance. However, up to now, Leading Edge Serrations were mainly analysed in a rigidly mounted setting in front of free jets or in cascade applications in order to investigate fundamental effects and to study the underlying aerodynamic and aeroacoustic principles. Eventually, these serrations are intended to be used in rotating systems such as turbomachines, counter rotating rotors or fans and blowers. Even wind energy turbines represent a possible field of application. The transfer of the rigidly well-analysed serration effects to the rotating frame, though, poses one of the main obstacles for successfully implementing Leading Edge Serrations as a passive noise reduction application as several additional parameters and varying boundary conditions might affect the aerodynamic and aeroacoustic efficiency of the serrations. The current project investigates on how these serrations, inspired by owls and humpback whales, can be transferred to the rotating system by avoiding losses in aeroacoustic and aerodynamic performance and taking into account the already acquired knowledge on the underlying effects. Of particular interest are effects of the circumferential velocity, which scales linearly with the rotor radius as well as effects of varying points of operation, leading to changes in the stagger angles or altering inflow conditions, respectively. For the experimental study a test rig according to the ISO 5136 standard was realised, allowing a simultaneous measurement of both, aerodynamic and aeroacoustic properties. The rotor was self-designed according to the single aerofoil approach, featuring exchangeable fan blades to enable a time- and cost efficient variation of the serration parameters. Apart from realising the test rig and a detailed quantification of the inflow conditions, a Proof-of-Concept study was performed in order to confirm the aeroacoustic effect of Leading Edge Serrations in a rotating application and to carve out the noise reduction potential. Moreover, a variation of the geometric serration parameters as well as the aerodynamic inflow conditions already allows for drawing basic conclusions on the underlying scaling-laws and dependencies. A supplementary aeroacoustic study via array beamforming in the rigid frame provided information on the positions of main noise sources of aerofoils with and without serrations, which were of high value and facilitated a successful transfer to the rotating frame. Finally, by use of artificial neural networks, first steps were undertaken towards modelling the effect of the investigated parameters on the aerodynamic and aeroacoustic performance. A first developed fundamental model already allows for a prediction of the noise radiation and offers multiobjective-optimisation by means of aerodynamic and aeroacoustic properties.show moreshow less

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Metadaten
Author:Till M. Biedermann, Frank Kameier
Qualitätssicherung:redaktionell geprüft
Forschungsschwerpunkt:Energie und Umwelt
Fachbereich/Einrichtung:Hochschule Düsseldorf / Fachbereich - Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Document Type:Workingpaper / Report
Year of Completion:2018
Series (Serial Number):Berichte zu HSD-intern geförderten Forschungsprojekten (2)
Language:German
Place of publication:Düsseldorf
Creating Corporation:Hochschule Düsseldorf
Pagenumber:26
DOI:https://doi.org/10.20385/2625-3690/2018.2
URN:urn:nbn:de:hbz:due62-opus-12300
ISSN:2625-3690
Tag:Konzeption; Leading Edge Serrations; Proof of Concept; Versuch
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):Creative Commons - CC BY-SA - Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International
Release Date:2018/09/19