Untersuchungen von Grenzschichttransition und Luftkräften an rotierenden Blättern

In der vorliegenden Arbeit wurden Luftkrafte und Grenzschichttransitionslagen auf Mach-skalierten Hubschrauberrotorblattern in Steigflugkonfiguration untersucht. Oberflachendrucke und laminar-turbulente Umschlagslagen wurden auf den auseren 60 % der Saugseite eines mit einem DSA-9A Profil ausgestatteten Rotorblattes gemessen. Hierfur wurden ortlich hochauflosende optische Messtechniken eingesetzt und durch integrale Schub- sowie Oberflachendruckmessungen mittels einzelnen Druckanbohrungen erganzt. Die Experimente wurden am Zweiblattrotor der Rotor-Testanlage des DLR in Gottingen (RTG) durchgefuhrt. Der untersuchte Parameterraum umfasst eine Variation des kollektiven Blattanstellwinkels bei jeweils drei unterschiedlichen Drehzahlen. Die auf die Blattspitzengeschwindigkeit und die Sehnenlange bezogenen Mach- und Reynoldszahlen ergeben sich zu M_{Spitze} = 0.29 - 0.57 und Re_{Spitze} = 4.6 - 9.3 × 10^5. Es wird ein fur den Einsatz an schnell drehenden Rotorblattern optimiertes pressure-sensitive paint (PSP) Messsystem vorgestellt. Eine hierfur optimierte Bilderfassung verhindert Messartefakte, die durch Bildunscharfe infolge von Rotation entstehen. Das System wurde erfolgreich an der untersuchten Konfiguration angewendet. Ein Vergleich zwischen PSP-Ergebnissen und Daten herkommlicher Drucksensoren ergibt einen Effektivwert der Unterschiede von ca. 250 Pa. Durch die Verwendung der single-shot lifetime PSP-Methode konnten Bereiche partieller Stromungsablosung auf dem Blatt identifziert werden, in denen vergleichsweise hohe niederfrequente Druckschwankungen gemessen wurden. Die PSP-Resultate offenbaren charakteristische Strukturen, wie den “Fusabdruck” des Randwirbels, die Saugspitze parallel zur Blattvorderkante oder gar den abrupten Druckanstieg als Folge des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags. Der letztgenannte Zusammenhang konnte durch die separaten Transitionsmessungen verifziert werden und unterstreicht die Fahigkeit des Messsystems, raumliche Gradienten prazise zu erfassen. Grenzschichttransition wurde mittels temperature-sensitive paint (TSP) und vergleichsweise via Infrarot-Thermografie gemessen. Die Umschlagslagen wurden fur alle Datenpunkte entlang der Blattspannweite uber eine Auswertesystematik und mit einer Prazision von ca. 1 % der Sehnenlange (≈ 0.7 mm) ermittelt. Zusammen mit integralen Schubwerten und Druckanbohrungsergebnissen wurde eine Datenbasis erstellt, die fur die Validierung von numerischen Methoden zur Verfugung steht. Der Einfluss rotierender Krafte auf den Grenzschichtumschlag wurde durch einen Vergleich der Transitionslagen bei gleichem effektiven Anstellwinkel, resultierenden Reynolds- und Machzahlen von Re_{res} = 3.74 × 10^5 und M_{res} = 0.22 und ausschlieslich unter Variation der Rossbyzahl Ro, als Mas fur Rotationskrafte, untersucht. Ein stabilisierender Effekt von Rotationskraften wurde bei Variation von Ro = 6.95 auf Ro = 4.76 fur die untersuchte Konfiguration nicht festgestellt. Druckmessdaten bei 77 % des Blattradius wurden mit Losungen eines gekoppelten zweidimensionalen (2D) Euler-/ Grenzschicht-losers verglichen und verwendet, um kritische N-faktoren auf Basis unterschiedlicher Versionen der e^N-Methode zu bestimmen. Berechnete und gemessene Oberflachendrucke stimmen innerhalb von ∆ c_p ≈ 0.02 uberein. Auf Basis von 2D lokaler kompressibler linearer Stabilitatstheorie und unter Berucksichtigung der gemessenen nicht-adiabaten Wandtemperatur wurden kritische N-faktoren von N_cr = 8.4 ± 0.5 ermittelt, die keine signifkante Abhangigkeit der Reynolds- bzw. Drehzahl zeigen. Demnach kann bei Kenntnis der Druckverteilung die Transitionslage bis auf ± 5 % der Sehnenlange vorhergesagt werden.