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Aktive Minderung von Turbomaschinenlärm

Aktive Lärmminderung durch Gegenschallquellen
Bei der aktiven Lärmminderung wird das störende Geräusch durch ein von sekundären Schallquellen erzeugtes gegenphasiges Schallfeld kompensiert: Der vom Triebwerk abgestrahlte Schall (rote Welle in Abb. 1) wird zu jeder Zeit von Mikrofonen registriert. Ein elektronischer Regler berechnet aus den Mikrofonsignalen den zur Auslöschung notwendigen Gegenschall (grüne Welle in Abb. 1) und steuert z.B. Lautsprecher als Gegenschallquellen mit den dazu notwendigen Signalen an.

Durch Anwendung dieser Technik verspricht man sich größere Pegelminderungen auf kurzem Raum als durch herkömmliche passive Absorber.

In Deutschland wurden Active Noise Control (ANC)-Versuche - erstmals in Deutschland für die Anwendung bei Flugtriebwerken - am CRISP-Triebwerksmodell gemeinsam mit der Motoren- und Turbinen-Union in München und DaimlerChrysler CRC in Ottobrunn am Institut für Antriebstechnik des DLR-Forschungszentrums in Köln durchgeführt. In den ANC-Versuchen wurden 32 Mikrofone und 32 Lautsprecher eingesetzt, um die Lautstärke der Triebwerkstöne zu reduzieren.

Abbildung 1: Prinzip der aktiven Lärmminderung im Einlauf eines Flugtriebwerks

Aktive Lärmminderung durch Strömungsbeeinflussung
Bei Untersuchungen zu aktiver Lärmminderung bei axialen Strömungsmaschinen werden üblicherweise Lautsprecher als Aktuatoren verwendet, um das zur destruktiven Überlagerung erforderliche sekundäre Schallfeld zu erzeugen. In der Praxis können derartige Geräuschminderungsmethoden jedoch an der mangelnden Verfügbarkeit ausreichend leistungsfähiger und robuster Schallquellen scheitern.

In dem vorliegenden Forschungsprojekt, das im Sonderforschungsbereich 557 „Beeinflussung komplexer turbulenter Scherströmungen“ gemeinsam mit der Technischen Universität Berlin durchgeführt wird, werden die Gegenschallquellen durch gezielte Beeinflussung der Strömung im Bereich der Schaufelspitzen einer axialen Strömungsmaschine erzeugt. In der Folge werden für den Aufbau des sekundären Schallfelds keine Lautsprecher benötigt.

Die Hauptursache der tonalen Schallabstrahlung axialer Strömungsmaschinen sind die instationären, periodischen Kräfte, die beispielsweise als Folge der Wechselwirkungen Zuströmung/Laufrad oder Laufrad/Leitrad entstehen. Diese Kenntnis des Entstehungsmechanismus des primären Schallfeldes wird in diesem Projekt ausgenutzt.

Es erfolgt eine gezielte Anregung zusätzlicher instationärer Schaufelkräfte, um effektive strömungserregte Gegenschallquellen für die aktive Lärmminderung zu bilden. Wenn diese Sekundärkräfte phasenversetzt zu den primären Schaufelkräften sind, kann durch die Überlagerung beider eine Reduktion der insgesamt abgestrahlten Schallenergie erreicht werden, im Idealfall sowohl für die Ansaug- als auch für die Ausblasseite der Turbomaschine.

Die gewünschten Störungen in der Zu- oder Abströmung des Rotors können auf verschiedene Weise erzeugt werden: Zum Einen kann Luft im Bereich der Schaufelspitzen eingeblasen werden, zum Anderen kann die Gehäusekontur in der Nähe des Laufrades in Abhängigkeit vom Umfangswinkel variiert werden. In beiden Fällen reicht wegen der Rotationsbewegung des Laufrades eine zeitlich konstante Veränderung über den Umfang aus, um instationäre Schaufelkräfte variabler Phasenlage zu erzeugen.