Experimental Detection of Dominant Sound Generation Mechanisms of Centrifugal Compressors

Die Ziele dieser Arbeit sind es, die dominierenden aerodynamischen Entstehungsmechanismen des in die Strömungskanäle emittierten Radialverdichtergeräusches durch profunde Experimente aufzude-cken und die Schallentwicklung verschiedener Radialverdichtertypen mit unterschiedlichen strö-mungstechnischen Eigenschaften zu vergleichen. Des weiteren sollen die Messdaten dazu genutzt werden, um verschiedene Ansätze für prognostische Aussagen zu den zu erwartenden Verdichtergeräuschen auf die Anwendbarkeit auf hochbelastete, transsonische Radialverdichter zu prüfen. Am Ende sollen auf Grundlage dieser Erkenntnisse Vorschläge zu primären Geräuschminderungen durch konstruktive Maßnahmen direkt im Quellbereich erarbeitet werden. Dazu wurden mit ausführlichen Messungen an zwei Laufradtypen, jeweils mit einem beschaufelten und einem unbeschaufelten Diffusor, bei verschiedenen repräsentativen Betriebspunkten die Entstehungs- und Ausbreitungsmechanismen des Schalls durch Analysen der Schallfeldstruktur im Ansaugkanal untersucht. Zusätzlich sind im Ausblaskanal an feststehenden, wandbündigen Messpunkten die Schalldrücke und direkt über den Schaufeloberkanten der beiden Laufräder die instationären Drücke mit im Laufraddeckel montierten Sensoren aufgenommen worden. Es zeigte sich, dass bei hohen Drehzahlen die Schallemissionen in erster Linie durch den Drehklang (Rotordrehfrequenz mal Schaufelanzahl und Vielfache davon) dominiert werden. Bei transsonischer Laufradanströmung treten außerdem Pegelspitzen der Rotordrehfrequenz und ihrer Harmonischen in Erscheinung, die als Buzz-Saw-Noise (Kreissägengeräusch) bezeichnet werden, aber im Vergleich zum Drehklang das Gesamtgeräusch nicht so stark prägen. Ein Vergleich von Ergebnissen zweier CFD-Analysen mit gemessenen instationären Wanddrücken an der Innenseite des Laufraddeckels eines der hier untersuchten Verdichter ergibt, dass stationäre Lö-sungen zur Bestimmung von Schalldrücken bestimmter rotorkohärenter Schallkomponenten im Quell-gebiet und im Nahfeld herangezogen werden können. Darauf aufbauend lassen sich Schlussfolgerun-gen ziehen in Hinsicht auf die Verwendbarkeit stationärer Lösungen für vergleichende Schallprogno-sen tonaler Komponenten bei der Entwicklung von Radialverdichtern im Entwurfsstadium. Für die Schallleistung im Ansaugkanal wird ein empirisches Modell als Funktion der Umfangsmach-zahl des Laufrades vorgestellt. Die Entwicklung eines Skalierungsmodells zur Übertragung der hier gemessenen Schallleistungen auf andere Verdichterbaugrößen auf der Grundlage der akustischen Ähnlichkeitsgesetze zeigte, dass der bei anderen Strömungsmaschinen erfolgreich angewendete Produktansatz von Weidemann [1] hier nicht anwendbar ist. Es werden verschiedene Möglichkeiten der geometrischen Gestaltung im Eingangsbereich des Ver-dichters vorgeschlagen, die hauptsächlich darauf abzielen, bei hohen Drehzahlen den Drehklang bei der Entstehung zu reduzieren.The main goal of this work is the detection of the aerodynamic sound generation mechanisms of centrifugal compressors by detailed experiments and the comparison of the sound emission of four compressor variations with different aerodynamic characteristics. Furthermore, the measured data shall be used to verify the practicality of several sound prediction methods applied to highly loaded transonic centrifugal compressors. Based on these results, technical modifications for the noise sources of these compressors should be recommended. The acoustic measurements were taken for two types of impellers, each combined with either a vaneless or a vaned diffuser. The mechanisms of sound generation and propagation are investigated by analysing the spacial structure of the sound field in the inlet flow duct of the compressor. Additionally, measurements of the sound pressure close to the duct wall of the outlet flow channel were performed with fixed microphones and the pressure fluctuations on the inside of the impeller casing were measured. If the rotor speed is high the sound emission is dominated by the blade passage frequency (BPF) and its harmonics. In a transonic flow regime the so-called buzz saw noise appears which can result in an effective noise source but the BPF and its harmonics dominate the over-all sound level. A successful comparison of data from numerical simulations with measuring results shows that stationary solutions could be used for comparative predictions of tonal sound components in the development of radial compressors. In this work an empirical model for the sound power depending on the tip speed Mach number in the inlet duct is introduced. A scaling model based on acoustic similarity laws, developed for subsonic centrifugal fans, could not be applied to transonic radial compressors for transferring the measured sound power to different compressor sizes. Finally, various possibilities for designing the compressor inlet are introduced to reduce the emission at the BPF and its harmonics

Aufbereitung und statistische Analysen von Radardaten für Fluglärmberechnungem

Das Verfahren zur Berechnung von Fluglärm nach Fluglärmgesetz in Deutschland ist in der AzB festgelegt. Die dafür nötige Datengrundlage ist in der AzD beschrieben. Sie beinhaltet flughafenspezifische Daten, wie geografische Angaben der Start- und Landbahnen, Flugrouten bzw. -strecken und Verkehrszahlen sowie die Luftfahrzeugklassen (Lfz-Klassen) als flughafenunabhängige Daten. Radardaten, die von den Flughäfen aus flugsicherheitstechnischen Gründen erhoben und gespeichert werden, enthalten die realen Flugbahnen von Luftfahrzeugen (Lfz). Sie liegen in diskreten Zeitschritten vor und können für die Erzeugung bzw. Überprüfung oder Ergänzungen von Eingangsdaten für Fluglärmberechnungen und die Auswertung von Fluglärmmessdaten herangezogen werden. Da sie aber für diese Zwecke originär nicht vorgesehen sind, müssen Radardaten in einem ersten Schritt aufbereitet werden, um sie für Fluglärmbelange nutzen zu können. Das beinhaltet die Korrektur leichter Datenfehler, die Transformation geografischer in UTM-Koordinaten und die Umwandlung nautischer bzw. imperialer Maßeinheiten in SI-Einheiten. Als nächstes erfolgt eine Erstellung von Flugprofilen und die statistische Analyse der Daten. Ist die Anzahl der Flugbewegungen groß, muss die Aufbereitung und Analyse der Radardaten automatisiert werden. Das Ziel der hier vorgestellten Arbeiten ist die Bereitstellung und die statistische Analyse von aufbereiteten Positionsdaten, vor allem aber als Höhen- und Geschwindigkeitsprofile (Flugprofile) von Luftfahrzeugen bzw. Luftfahrzeugklassen. Angewendet wurden die Ergebnisse der hier vorgestellten Radardatenaufbereitungen in dem Forschungsauftrag "Überprüfung und Verbesserung der Berechnungsverfahren im Fluglärm"

Einfluss von verschiedenen Betriebsparametern auf die Fluglärmimmission in großer Entfernung

In den letzten Jahren sind Bestrebungen im Gange, Tages- bzw. Nachtdauerschallpegel in der Größenordnung von 40 bzw. 30 dB auszuweisen, was insbesondere auch an den von der WHO empfohlenen niedrigen Lärmgrenzwerten liegt. Problematisch hierbei ist, dass der Dauerschallpegel stark durch die Bewegungshäufigkeit beeinflusst wird. An einem Flughafen mit vielen Bewegungen treten diese geringen Dauerschallpegel dementsprechend erst in Bereichen auf, die 40-50 km vom Startrollpunkt entfernt sind. Auf Grund der niedrigen Maximalpegel können jedoch in dieser Entfernung keine automatischen Fluglärmmessstationen mehr betrieben werden, sodass berechnete Pegelwerte nicht mehr validiert werden können und entsprechend unsicher sind. Erschwerend kommt hinzu, dass die lokalen Pegelgradienten in großen Entfernungen sehr klein sind. Daraus folgt, dass bereits eine kleine Änderung im berechneten Pegel zu einer verhältnismäßig großen Änderung der Konturfläche führen kann. Um in Zukunft auch geringe Dauerschallpegel ausweisen zu können, muss die Qualität der Lärmberechnung in großen Entfernungen zum Flughafen erhöht werden. Dazu muss zunächst untersucht werden, welche Betriebsparameter überhaupt einen Einfluss auf die Immissionsberechnung haben. In diesem Beitrag wird daher der Einfluss von verschiedenen Betriebsparametern untersucht. Der Fokus liegt auf den Einfluss der Meteorologie und der lateralen Positionsungenauigkeit. Zusätzlich wird der Einfluss von Startverfahren und der Auslastung untersucht

Gruppierung von Luftfahrzeugen für Fluglärmberechnungen

Ein zur Umsetzung eines Fluglärmberechnungsverfahren geeignetes Computerprogramm besteht immer aus einem Rechenkern und einer Datengrundlage. Der Rechenkern setzt die dem Berechnungsverfahren zu Grunde liegenden physikalischen Modelle (insbesondere für Schallausbreitung oder Flugmechanik) um. In der Datengrundlage sind die für diese Modelle benötigten akustischen und flugbetrieblichen Parameter abgespeichert. Der Umfang der Datengrundlage wird sowohl durch die Verfügbarkeit der Daten als auch den Anwendungsbereich des Berechnungsverfahrens bestimmt. Hochwertige Verfahren zur Simulation von Einzelflügen, die z.B. auf Teilschallquellenmodellen beruhen, erfordern entsprechend detaillierte Daten, die in der Regel nur für eine begrenzte Anzahl von Luftfahrzeugen verfügbar sind. Die Datengrundlagen von Rechenverfahren, die zur Flughafenplanung und Fluglärmgesetzgebung herangezogen werden, müssen demgegenüber die am Luftverkehr teilnehmenden Luftfahrzeuge umfassend beschreiben können. Dabei hängt ihre Struktur auch vom Anwendungsbereich des Verfahrens ab: Sind prognostizierte Flugbetriebe zu untersuchen, so setzen sie in der Regel auf einer geeigneten Gruppierung von Luftfahrzeugen auf. In diesem Beitrag wird erläutert, wie solche Gruppierungsschemata erstellt und wie sie in geeigneter Weise so erweitert werden können, dass auch eine typengenaue Modellierung von Luftfahrzeugen möglich ist. Dabei wird sowohl auf die Rolle der akustischen Charakteristika der zu gruppierenden Luftfahrzeuge als auch auf ihre Flugleistungseigenschaften eingegangen

Überprüfung und Verbesserung der Berechnungsverfahren beim Fluglärm

Im hier beschriebenen Forschungsvorhaben wurde eine Datenbasis ziviler Luftfahrzeuge zu Zwecken der Fluglärmberechnung erarbeitet. Diese trägt der technischen Entwicklung im Flugzeugbau in den letzten zwei Jahrzehnten und der damit verbundenen geänderten Zusammensetzung des Flugverkehrs Rechnung. Diese Datengrundlage ist repräsentativ für den in Deutschland aktuellen und in den nächsten zwei Dekaden zu erwartenden Luftverkehr. Sie ist an die Datenstrukturen und die Berechnungsformalismen sowohl der AzB-2008 als auch der DIN 45689 angepasst. Zusätzlich wurden die Daten noch für die „Berechnungsmethode für den Umgebungslärm von Flugplätzen“ (BUF) konvertiert. Grundlage für die Arbeit waren Daten von Fluglärmüberwachungsanlagen an sieben deutschen Verkehrsflughäfen, die im Rahmen des im Luftfahrforschungsprogrammes durchgeführten Projekts MODAL erhoben worden waren. Für fünf generische, aber für deutsche Flugbetriebe repräsentative Szenarien wurden dann Vergleichsberechnungen mit der Datenbasis der AzB-2008 und der neuen Datengrundlage durchgeführt und diskutiert. Dabei wurden äquivalente Dauerschallpegel und NAT-Kriterien ermittelt. Darüber hinaus wurden mögliche Modifikationen an den der AzB und der DIN zugrunde liegenden Berechnungsalgorithmen untersucht und diskutiert. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten, dass insbesondere die AzB bezogen auf ihren Anwendungsbereich keiner wesentlichen Modifikationen bedarf. Die neu erarbeiteten Datengrundlagen für AzB und DIN sowie die für die BUF konvertierten Daten sind in drei separaten Anhangbänden zusammengestellt

Aktualisierung der Datenbasis zur Berechnung von Lärmschutzbereichen um Flughäfen

Die Festsetzung von Lärmschutzbereichen an deutschen Flughäfen muss gemäß der ersten Verordnung zur Durchführung des Gesetzes zum Schutz gegen Fluglärm durch die Verwendung der "Anleitung zur Berechnung von Lärmschutzgebieten" (AzB) und der "Anleitung zur Datenerfassung" (AzD) erfolgen. Um die technische Entwicklung im Flugzeugbau in den letzten zwei Jahrzehnten und der damit verbundenen geänderten Zusammensetzung des Flugverkehrs Rechnung zu tragen, wurde das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) vom Umweltbundesamt (UBA) beauftragt, die zugrunde liegende Datenbasis zu aktualisieren und Vorschläge zur Weiterentwicklung der AzB entsprechend dem aktuellen Stand der Wissenschaft zu erarbeiten. Dieser Artikel beschreibt die Vorgehensweise bei der Definition neuer Luftfahrzeuggruppen, sowie die Methode zur Erarbeitung der zugehörigen operationellen und akustischen Datensätze

Überprüfung und Verbesserung der Berechnungsverfahren beim Fluglärm

Im hier beschriebenen Forschungsvorhaben wurde eine Datenbasis ziviler Luftfahrzeuge zu Zwecken der Fluglärmberechnung erarbeitet. Diese trägt der technischen Entwicklung im Flugzeugbau in den letzten zwei Jahrzehnten und der damit verbundenen geänderten Zusammensetzung des Flugverkehrs Rechnung. Diese Datengrundlage ist repräsentativ für den in Deutschland aktuellen und in den nächsten zwei Dekaden zu erwartenden Luftverkehr. Sie ist an die Datenstrukturen und die Berechnungsformalismen sowohl der AzB-2008 als auch der DIN 45689 angepasst. Zusätzlich wurden die Daten noch für die "Berechnungsmethode für den Umgebungslärm von Flugplätzen" (BUF) konvertiert. Grundlage für die Arbeit waren Daten von Fluglärmüberwachungsanlagen an sieben deutschen Verkehrsflughäfen, die im Rahmen des im Luftfahrforschungsprogrammes durchgeführten Projekts MO-DAL erhoben worden waren. Für fünf generische, aber für deutsche Flugbetriebe repräsentative Szenarien wurden dann Vergleichsberechnungen mit der Datenbasis der AzB-2008 und der neuen Datengrundlage durchgeführt und diskutiert. Dabei wurden äquivalente Dauerschallpegel und NAT-Kriterien ermittelt. Darüber hinaus wurden mögliche Modifikationen an den der AzB und der DIN zugrundeliegenden Berechnungsalgorithmen untersucht und diskutiert. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten, dass insbesondere die AzB bezogen auf ihren Anwendungsbereich keiner wesentlichen Modifikationen bedarf. Die neu erarbeiteten Datengrundlagen für AzB und DIN sowie die für die BUF konvertierten Daten sind in drei separaten Anhangbänden zusammengestellt