Bewertung von Störeinflüssen bei der Messung akustischer Moden in mehrstufigen Axialverdichtern

Linke, Frederick; Jeschke, Peter; Wirsum, Manfred

doi:HT031441592

Bewertung von Störeinflüssen bei der Messung akustischer Moden in mehrstufigen Axialverdichtern = Evaluation of disturbing influences on the measurement of acoustic modes in multistage axial compressors

Linke, Frederick^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frederick Linke

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jeschke, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Wirsum, Manfred (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03639
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1032596/files/1032596.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen (413510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aeroakustik (frei) ; Störeinflüsse (frei) ; Verdichter (frei) ; aeroacoustics (frei) ; compressor (frei) ; disturbing influences (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden Untersuchungen vorgestellt, in denen die Auswirkungen von Störeinflüssen auf die Messung akustischer Moden in einem mehrstufigen Axialverdichter analysiert werden. Dazu werden zunächst die Ergebnisse experimenteller Messungen vorgestellt und im Detail betrachtet. Am Beispiel dieser Messdaten wird der Einfluss von Messunsicherheiten auf die zu bewertenden Azimutalmodenamplituden betrachtet. Weitergehende Analysen zu potentiellen Störeinflüssen aus der Kernströmung des Verdichters finden unter dem Einsatz numerischer Strömungssimulationen statt. Für die experimentellen Untersuchungen werden instationäre Drucksensoren eingesetzt. Diese sind wandbündig im Gehäuse verbaut, sodass ein störender Effekt der Sensoren auf die Strömung minimiert wird. Durch das verwendete Vorgehen bei der Messung ist je Axialebene ein einziger ortsfester Sensor ausreichend. Die Daten für weitere Umfangspositionen werden unter Verwendung der verstellbaren Leiträder des Prüfstands in Kombination mit einer Phasenkorrektur ermittelt. Durch den Einsatz weiterer Sensoren an zusätzlichen Messstellen der gleichen Axialebene wird die Qualität der Messergebnisse bewertet. Ein Vergleich der Messergebnisse zeigt, dass es entlang des Umfangs, entgegen gängiger Modelle, zu Variationen der Azimutalmodenamplituden kommt. Um dieses Verhalten näher zu betrachten, wird zunächst eine umfangreiche Messunsicherheitsanalyse durchgeführt. Darin werden Schwankungen der Betriebspunkte, die Messdatenerfassung, Positionsabweichungen der Sensoren sowie die Sensoren selbst analysiert. In der Messunsicherheitsanalyse wird ein Monte-Carlo-Ansatz verwendet, mit dem fehlerbehaftete Zeitsignale generiert, anschließend analysiert und letztlich mit den fehlerfreien Daten verglichen werden. Unter Verwendung dieses Ansatzes werden die störenden Einflüsse sowohl einzeln als auch als kombinierter Gesamtfehler betrachtet. Dabei zeigt sich, dass die Messunsicherheiten lediglich einen kleinen Teil der zuvor beschriebenen Abweichungen verursachen können. An den generierten Datensätzen lässt sich darüber hinaus zeigen, dass sich diese Unsicherheit durch eine präzise Kalibrierung der Sensoren noch einmal deutlich reduzieren lassen. Für die Analyse störender Einflüsse aus der Kernströmung des Verdichters werden zwei Varianten betrachtet, bei denen sich jeweils eine Schaufel geometrisch von allen anderen Schaufeln derselben Reihe unterscheidet. Durch diese geometrischen Abweichungen werden die instationären Drücke über mehrere Passagen der gleichen Reihe hinweg gestört. Diese instationäre Druckverteilung entspricht qualitativ dem, was auch in den experimentellen Untersuchungen beobachtet wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die präzise Kalibrierung von Sensoren für die spätere Analyse äußerst wichtig ist. Dabei ist vor allem auf die korrekte Bewertung des dynamischen Verhaltens wert zu legen. Darüber hinaus wird gezeigt, dass geometrische Abweichungen von einem idealisierten Aufbau eines Verdichters dazu führen, dass ungeeignete Messverfahren sowie ungeeignete Messraster zu Fehlinterpretationen der Datenführen können. Der Positionierung der Messstellen, dem eingesetzten Messraster sowie dem Messverfahren kommt dementsprechend eine hohe Bedeutung zu.

In this work, disturbing influences on the measurement process for acoustic modes in a multi-stage axial compressor are investigated. For this purpose, the results of experimental measurements are first presented and analysed in detail. The influences of measurement uncertainties on the azimuthal mode amplitudes are then analysed, using the data from one of the investigated measurement planes. Further analyses of potential disturbing influences from the core flow of the compressor are carried out by using numerical simulations. The experimental investigations are carried out using unsteady pressure transducers. These are wall flush mounted in the outer casing so that a disturbing effect of the sensors on the flow is minimized. The measurement procedure used in this work, makes a single fixed sensor sufficient for each axial plane. The data at other circumferential positions is determined by using the adjustable guide vanes of the test bench in combination with a phase correction. By using additional sensors at comparable measuring positions, the results and the quality of the measurement can be analysed in more detail. A comparison of the data of these sensors shows that, contrary to common models, there are fluctuations in the azimuthal mode amplitudes over the circumference. To take a closer look at this behaviour, a comprehensive measurement uncertainty analysis is carried out first. With this, fluctuations in the operating point, the data acquisition system, position deviations of the sensors and the sensors themselves are analysed. In the measurement uncertainty analysis, a Monte Carlo approach is used, with which error-prone time signals are generated, then analysed and finally compared with the error-free data. Using this approach, the disturbing influences are analysed individually and as a combined total error. The outcome shows that the measurement uncertainties only represent a small part of the deviations described previously. The generated data sets show that this uncertainty can be significantly reduced further by precisely calibrating the sensors. To analyse disturbing influences from the core flow of the compressor, two variants are considered in which one blade differs geometrically from all other blades in the same row. Due to these geometric deviations, the unsteady pressure is disturbed over several passages of the same row. This unsteady pressure distribution corresponds qualitatively to what is also observed in the experimental investigations. The results of this work show that the precise calibration of sensors is crucial for subsequent analyses. Particular attention must be paid to the correct evaluation of the dynamic behaviour. Furthermore, it is demonstrated that geometric deviations from an idealized compressor design can lead to misinterpretations of the data if inappropriate measurement methods and measurement grids are used. The positioning of the measuring points, the measuring grid used, and the measuring method are therefore of great importance.

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