Experimentelle Untersuchung des dynamischen Strömungsabrisses an einem Rotor mit axialer Zuströmung

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autoren

  • Till Schwermer

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Details

OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoktor der Ingenieurwissenschaften
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Markus Raffel, Betreuer*in
Datum der Verleihung des Grades20 Apr. 2018
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2018

Abstract

Der dynamische Strömungsabriss (Dynamic Stall) am rücklaufenden Blatt des Hauptrotors schränkt die Flugenvelope von modernen Helikoptern ein. Durch großflächige Strömungsablösungen verursacht er hohe strukturelle Lasten mit starken Hystereseeffekten und beeinträchtigt die Steuerbarkeit. Mit analytischen und empirischen Modellen ist der Dynamic Stall nur schlecht vorhersagbar und wird im Hubschrauberentwurf wenig berücksichtigt. In dieser Dissertation wird ein Rotorteststand entwickelt, an dem der Dynamic Stall am Rotor vereinfacht und unter optimierten Randbedingungen untersucht werden kann. Er bietet eine gute optische Zugänglichkeit zur Anwendung berührungsloser Messverfahren. Der Dynamic Stall wird durch eine zyklische Rotorblattansteuerung erzielt. Bisher mussten Vorwärtsflugzustände am Rotor in sehr teuren Windkanalversuchen hergestellt werden, um den Dynamic Stall am Rotor zu untersuchen. Durch die Konstruktion des Teststandes werden darüber hinaus der Betrieb im Bodeneffekt und eine Rezirkulation des Rotornachlaufs vermieden. Der Rotor besteht aus zwei negativ verwundenen Rotorblättern mit einer Streckung von 7.1 und einem Radius von 0.65m. Er wird bei einer Drehfrequenz von 23.6Hz betrieben, was bei 75% Radius eine Machzahl von 0.21 und eine auf die Profiltiefe bezogene Reynoldszahl von 353000 ergibt. Am Rotorblatt wird die Umströmung anhand von Strömungsvisualisierung mit tufts, instationären Oberflächendruckmessungen, Strömungsfeldmessungen mit der Particle Image Velocimetry (PIV) sowie der Differential Infrared Thermography (DIT) zur Ablösedetektion vermessen. Weiterhin wird die Blattspitzenauslenkung erfasst. Messungen werden an unterschiedlichen radialen Schnitten auf dem Rotorblatt und erstmalig für den gesamten Rotorumlauf durchgeführt. Ein Telemetriesystem ermöglicht synchronisierte, instationäre Messungen im rotierenden System mit einer Signalbandbreite von 19kHz. Für eine zyklische Blattansteuerung mit einer Amplitude von 6.2° und einem mittleren Steuerwinkel von 16.9° bei 75% Radius zeigen PIV-, DIT-, tuft- und Oberflächendruckdaten eine Strömungsablösung für die Hälfte des Rotorumlaufes. Die stark dreidimensionale Ablösung wird bei 84% Radius initiiert und breitet sich von dort zur Blattspitze und -wurzel aus. Mehrere Ablösezellen, wie an schwingenden Profilen und Blattspitzen beobachtet, treten am Rotor nicht auf. An der Blattspitze und bei halber Spannweite tritt der Dynamic Stall schwächer und verzögert gegenüber 84% Radius auf. Während der Ablösung spielen Zentrifugalkräfte eine dominante Rolle im Rezirkulationsgebiet. Dort kommt es zu hohen spannweitigen Strömungsgeschwindigkeiten, die in Richtung Blattspitze linear zunehmen. Eine globale Einteilung des Dynamic Stalls in Light Stall oder Deep Stall kann aufgrund großer radialer Unterschiede im Ausmaß und im zeitlichen Verlauf des Dynamic Stalls nicht erfolgen. Durch die hohe Aperiodizität des Dynamic Stalls weisen Phasenmittelungen der PIV- und Druckdaten Abweichungen zu den instantanen Messwerten von bis zu 64% auf. Es werden dreidimensionale Strömungsphänomene aufgezeigt und mit dem nicht-rotierenden Fall sowie mit Ergebnissen aus numerischen Strömungssimulationen verglichen. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis des Einflusses der Rotation auf den Dynamic Stall.

Zitieren

Experimentelle Untersuchung des dynamischen Strömungsabrisses an einem Rotor mit axialer Zuströmung. / Schwermer, Till.
Hannover, 2018. 157 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Schwermer, T 2018, 'Experimentelle Untersuchung des dynamischen Strömungsabrisses an einem Rotor mit axialer Zuströmung', Doktor der Ingenieurwissenschaften, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Hannover. https://doi.org/10.15488/3266
Schwermer, T. (2018). Experimentelle Untersuchung des dynamischen Strömungsabrisses an einem Rotor mit axialer Zuströmung. [Dissertation, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover]. https://doi.org/10.15488/3266
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T1 - Experimentelle Untersuchung des dynamischen Strömungsabrisses an einem Rotor mit axialer Zuströmung

AU - Schwermer, Till

N1 - Dissertation

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Der dynamische Strömungsabriss (Dynamic Stall) am rücklaufenden Blatt des Hauptrotors schränkt die Flugenvelope von modernen Helikoptern ein. Durch großflächige Strömungsablösungen verursacht er hohe strukturelle Lasten mit starken Hystereseeffekten und beeinträchtigt die Steuerbarkeit. Mit analytischen und empirischen Modellen ist der Dynamic Stall nur schlecht vorhersagbar und wird im Hubschrauberentwurf wenig berücksichtigt. In dieser Dissertation wird ein Rotorteststand entwickelt, an dem der Dynamic Stall am Rotor vereinfacht und unter optimierten Randbedingungen untersucht werden kann. Er bietet eine gute optische Zugänglichkeit zur Anwendung berührungsloser Messverfahren. Der Dynamic Stall wird durch eine zyklische Rotorblattansteuerung erzielt. Bisher mussten Vorwärtsflugzustände am Rotor in sehr teuren Windkanalversuchen hergestellt werden, um den Dynamic Stall am Rotor zu untersuchen. Durch die Konstruktion des Teststandes werden darüber hinaus der Betrieb im Bodeneffekt und eine Rezirkulation des Rotornachlaufs vermieden. Der Rotor besteht aus zwei negativ verwundenen Rotorblättern mit einer Streckung von 7.1 und einem Radius von 0.65m. Er wird bei einer Drehfrequenz von 23.6Hz betrieben, was bei 75% Radius eine Machzahl von 0.21 und eine auf die Profiltiefe bezogene Reynoldszahl von 353000 ergibt. Am Rotorblatt wird die Umströmung anhand von Strömungsvisualisierung mit tufts, instationären Oberflächendruckmessungen, Strömungsfeldmessungen mit der Particle Image Velocimetry (PIV) sowie der Differential Infrared Thermography (DIT) zur Ablösedetektion vermessen. Weiterhin wird die Blattspitzenauslenkung erfasst. Messungen werden an unterschiedlichen radialen Schnitten auf dem Rotorblatt und erstmalig für den gesamten Rotorumlauf durchgeführt. Ein Telemetriesystem ermöglicht synchronisierte, instationäre Messungen im rotierenden System mit einer Signalbandbreite von 19kHz. Für eine zyklische Blattansteuerung mit einer Amplitude von 6.2° und einem mittleren Steuerwinkel von 16.9° bei 75% Radius zeigen PIV-, DIT-, tuft- und Oberflächendruckdaten eine Strömungsablösung für die Hälfte des Rotorumlaufes. Die stark dreidimensionale Ablösung wird bei 84% Radius initiiert und breitet sich von dort zur Blattspitze und -wurzel aus. Mehrere Ablösezellen, wie an schwingenden Profilen und Blattspitzen beobachtet, treten am Rotor nicht auf. An der Blattspitze und bei halber Spannweite tritt der Dynamic Stall schwächer und verzögert gegenüber 84% Radius auf. Während der Ablösung spielen Zentrifugalkräfte eine dominante Rolle im Rezirkulationsgebiet. Dort kommt es zu hohen spannweitigen Strömungsgeschwindigkeiten, die in Richtung Blattspitze linear zunehmen. Eine globale Einteilung des Dynamic Stalls in Light Stall oder Deep Stall kann aufgrund großer radialer Unterschiede im Ausmaß und im zeitlichen Verlauf des Dynamic Stalls nicht erfolgen. Durch die hohe Aperiodizität des Dynamic Stalls weisen Phasenmittelungen der PIV- und Druckdaten Abweichungen zu den instantanen Messwerten von bis zu 64% auf. Es werden dreidimensionale Strömungsphänomene aufgezeigt und mit dem nicht-rotierenden Fall sowie mit Ergebnissen aus numerischen Strömungssimulationen verglichen. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis des Einflusses der Rotation auf den Dynamic Stall.

AB - Der dynamische Strömungsabriss (Dynamic Stall) am rücklaufenden Blatt des Hauptrotors schränkt die Flugenvelope von modernen Helikoptern ein. Durch großflächige Strömungsablösungen verursacht er hohe strukturelle Lasten mit starken Hystereseeffekten und beeinträchtigt die Steuerbarkeit. Mit analytischen und empirischen Modellen ist der Dynamic Stall nur schlecht vorhersagbar und wird im Hubschrauberentwurf wenig berücksichtigt. In dieser Dissertation wird ein Rotorteststand entwickelt, an dem der Dynamic Stall am Rotor vereinfacht und unter optimierten Randbedingungen untersucht werden kann. Er bietet eine gute optische Zugänglichkeit zur Anwendung berührungsloser Messverfahren. Der Dynamic Stall wird durch eine zyklische Rotorblattansteuerung erzielt. Bisher mussten Vorwärtsflugzustände am Rotor in sehr teuren Windkanalversuchen hergestellt werden, um den Dynamic Stall am Rotor zu untersuchen. Durch die Konstruktion des Teststandes werden darüber hinaus der Betrieb im Bodeneffekt und eine Rezirkulation des Rotornachlaufs vermieden. Der Rotor besteht aus zwei negativ verwundenen Rotorblättern mit einer Streckung von 7.1 und einem Radius von 0.65m. Er wird bei einer Drehfrequenz von 23.6Hz betrieben, was bei 75% Radius eine Machzahl von 0.21 und eine auf die Profiltiefe bezogene Reynoldszahl von 353000 ergibt. Am Rotorblatt wird die Umströmung anhand von Strömungsvisualisierung mit tufts, instationären Oberflächendruckmessungen, Strömungsfeldmessungen mit der Particle Image Velocimetry (PIV) sowie der Differential Infrared Thermography (DIT) zur Ablösedetektion vermessen. Weiterhin wird die Blattspitzenauslenkung erfasst. Messungen werden an unterschiedlichen radialen Schnitten auf dem Rotorblatt und erstmalig für den gesamten Rotorumlauf durchgeführt. Ein Telemetriesystem ermöglicht synchronisierte, instationäre Messungen im rotierenden System mit einer Signalbandbreite von 19kHz. Für eine zyklische Blattansteuerung mit einer Amplitude von 6.2° und einem mittleren Steuerwinkel von 16.9° bei 75% Radius zeigen PIV-, DIT-, tuft- und Oberflächendruckdaten eine Strömungsablösung für die Hälfte des Rotorumlaufes. Die stark dreidimensionale Ablösung wird bei 84% Radius initiiert und breitet sich von dort zur Blattspitze und -wurzel aus. Mehrere Ablösezellen, wie an schwingenden Profilen und Blattspitzen beobachtet, treten am Rotor nicht auf. An der Blattspitze und bei halber Spannweite tritt der Dynamic Stall schwächer und verzögert gegenüber 84% Radius auf. Während der Ablösung spielen Zentrifugalkräfte eine dominante Rolle im Rezirkulationsgebiet. Dort kommt es zu hohen spannweitigen Strömungsgeschwindigkeiten, die in Richtung Blattspitze linear zunehmen. Eine globale Einteilung des Dynamic Stalls in Light Stall oder Deep Stall kann aufgrund großer radialer Unterschiede im Ausmaß und im zeitlichen Verlauf des Dynamic Stalls nicht erfolgen. Durch die hohe Aperiodizität des Dynamic Stalls weisen Phasenmittelungen der PIV- und Druckdaten Abweichungen zu den instantanen Messwerten von bis zu 64% auf. Es werden dreidimensionale Strömungsphänomene aufgezeigt und mit dem nicht-rotierenden Fall sowie mit Ergebnissen aus numerischen Strömungssimulationen verglichen. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis des Einflusses der Rotation auf den Dynamic Stall.

U2 - 10.15488/3266

DO - 10.15488/3266

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -