Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5935
Main Title: A unified analytical approach for the acoustic conceptual design of fans of modern aero-engines
Translated Title: Ein vereinheitlichter analytischer Modellierungsansatz zur akustischen Vorauslegung moderner Fans von Flugtriebwerken
Author(s): Moreau, Antoine
Advisor(s): Guérin, Sébastien
Referee(s): Enghardt, Lars
Peitsch, Dieter
Joseph, Phillip
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis proposes a set of theoretical models to predict, during the conceptual design phase, the sound emitted by the fan stage of an aero-engine, which is due to the interaction of its solid surfaces with the flow. The models are analytical or semi-analytical in nature, and cover a range of disciplines that span between aerodynamics and acoustics. Various fan architectures, such as the conventional ducted turbofan, the ducted contra-rotating fan and the contra-rotating open rotors, are addressed on a common basis, where the sensitivity of the radiated noise to the fan design is investigated at given thrust and optimal aerodynamic performance. The main part of the thesis provides a detailed description of the models that have been selected, adapted and implemented with appropriate formulations to form a consistent prediction environment. Fan aerodynamics is considered via a meanline approach, where a given streamline is assumed to be representative of the whole flow passage. A procedure to obtain a realistic and aerodynamically sound fan geometry based on a reduced number of parameters, typical of the preliminary design phase, is proposed. For each investigated fan, the aerodynamic performance map is explored to locate the off-design points relevant for acoustic certification. The flow perturbations generated by the blades are described as decaying wakes and potential fields that propagate down to the neighboring blade row and interact with it in form of acoustic waves. The formulation of the sound pressure radiated by the blades has been completely derived anew from the linear theory of the Acoustic Analogy. The acoustic pressure, expressed in the frequency domain, presents strong analogies in the ducted problem compared with the free-field case. The mathematical derivation also shows that the expressions of tonal and broadband noise assume very similar forms. Finally, a term common to all problems, identified as the source strength, only depends on the flow around the blades, and can therefore be directly related to the aerodynamic quantities deduced from the fan design procedure mentioned above. The capabilities of that unified prediction approach are illustrated by two parametric studies, which deal with the acoustic implications of a modification of the design speed of the fan for the three main architectures. The motivation for addressing this topic is twofold: first, fan speed is known to be an essential key driver for noise emission; second, it is a parameter that strongly affects design and thus is a good candidate to test the entire calculation chain. The speed reduction is realized either by decreasing the fan pressure ratio, hence increasing the bypass ratio of the engine, or by increasing the aerodynamic loading of the blades, if the fan diameter cannot be further increased. It turns out that the results obtained feature realistic, sensible, and smooth trends that are in line with past theoretical and experimental studies. As a consequence, the feasibility of acoustic assessment based on analytical models during a preliminary design phase is demonstrated. The virtues of the contra-rotating concepts over the conventional turbofan in terms of broadband and tonal self-noise can be directly attributed to the lower aerodynamic loading and Mach numbers. The open rotors do not by themselves generate more noise, the source strength is relatively similar to that of ducted fans, but lack the benefits of a nacelle equipped with sound damping liners. Finally, fan designs with a low pressure ratio tend to be significantly less noisy, thus the acoustic optimum lies far below the optimum of fuel-consumption. A low-noise design alternative to the reduction of the pressure ratio, is increasing the loading of the fan, which however must result from a careful compromise between broadband and tonal noise.
Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Umgebung theoretischer Modelle für die Vorhersage des von einer Triebwerksfanstufe abgestrahlten Schalls. Diese Modelle eignen sich im Rahmen einer Vorauslegungsphase; sie basieren auf analytische oder semi-analytische Ansätze und decken ein breites Fächerspektrum von Aerodynamik hin zur Akustik. Verschiedene Fan-Konzepte, wie der herkömmliche ummantelte Fan, der gegenläufige ummantelte Fan oder die gegenläufigen offenen Rotoren, werden mit dem gleichen Ansatz modelliert und bewertet. Insbesondere wird der Einfluss des Fan-Designs auf den erzeugten Lärm bei gleichem Triebwerkschub und optimaler aerodynamischer Performance untersucht. In der Arbeit werden die Modelle ausführlich beschrieben und es wird diskutiert, warum diese ausgewählt wurden bzw. welche Anpassungen an deren Formulierung sinnvoll waren, um eine konsistente und harmonisierte Vorhersageumgebung zu erreichen. Der aerodynamische Teil der Modelle basiert auf einem Mittelschnittansatz, wobei die Strömung lediglich entlang einer repräsentativen Strömungsfläche an einem festen Radius berücksichtigt wird. Zur Erzeugung realistischer und aerodynamisch sinnvoller Fan-Geometrien mit der Vorgabe weniger Inputparameter wird ein Vorauslegungsverfahren vorgestellt. Bei jeder der erzeugten Fandesigns erfolgt die Ermittlung der akustischen Zertifizierungspunkte innerhalb des aerodynamischen Kennfeldes des Fans. Die von den Schaufeln verursachten Strömungsstörungen werden in Form von Nachlauf und Potentialfeld modelliert, welche stromab bzw. stromauf mit den benachbarten Schaufelreihen interagieren und für die Schallentstehung im Triebwerk verantwortlich sind. Der mathematische Ausdruck für den von Schaufeln erzeugten Schalldruck wurde aus der linearen Theorie der Akustischen Analogie hergeleitet und im Frequenzbereich beschrieben. Die Formel für den Schalldruck weist eine ausgeprägte Vergleichbarkeit im Fall der ummantelten Konfiguration wie im Freifeld auf. Auch Tonallärm und Breitbandlärm können in einer sehr ähnlichen Form dargestellt werden. In allen Formulierungen tritt eine gemeinsame physikalische Größe auf, die sogenannte Quellstärke, welche nur von der Strömung um die Schaufeln abhängt und kann somit direkt mit den aerodynamischen Parametern des bereits erwähnten Vorauslegungsverfahrens verbunden werden. Im Rahmen von zwei Parameterstudien zeigt sich das Potential des vereinheitlichten Modellierungsansatzes. Beide Studien adressieren die akustische Wirkung einer Änderung der Auslegungsdrehzahl des Fans für alle drei oben erwähnten Fan-Konzepte. Grund für diese Studie ist die durchaus bekannte Rolle der Drehzahl als Leitgröße für die Schallemission. Zudem beeinflusst diese Größe die Geometrie der Fan-Stufe maßgeblich und erweist daher als guter Parameter, um die gesamte Prozesskette der Berechnungen zu erproben. Eine reduzierte Auslegungsdrehzahl wird entweder durch Minderung des Nebenstromverhältnisses (Reduzierung des Fandruckverhältnisses) oder durch Erhöhung der Stufenbelastung realisiert, wenn der Fandurchmesser sich nicht weiter vergrößern lässt. Die Ergebnisse der Studien zeigen sinnvolle und robuste Trends ohne Ausreißer. Die vorhergesagten Trends erweisen sich als realistisch und korrekt in Bezug auf frühere theoretische oder experimentelle Untersuchungen zu diesem Thema. Hiermit wird die Machbarkeit der aeroakustischen Vorauslegung mit Hilfe eines analytischen Modellierungsansatzes bestätigt. Der Vorteil der gegenläufigen Fan-Konzepte gegenüber dem herkömmlichen Fan liegt in der niedrigeren Machzahl und Schaufelbelastung, was zu einer geringeren Breitbandlärm- und Tonaleigenlärm-Abstrahlung führt. Die offenen Rotoren erzeugen keine stärkeren Quellen als die ummantelten Konzepte, jedoch kann ihr Schallfeld nicht von einer mit Liner ausgestatteten Gondel kontrolliert werden. Designs mit einem kleineren Nebenstromverhältnis strahlen signifikant weniger Schall ab; der akustische Optimum liegt sogar bei kleineren Werten als der thermodynamische Optimum mit minimalem Brennstoffverbrauch. Alternativ ist die Reduzierung der Auslegungsdrehzahl bei konstantem Nebenstromverhältnis eine interessante Option, wobei das Design aus einem Kompromiss zwischen Breitbandlärm und Tonallärm resultiert.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6385
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5935
Exam Date: 18-Jul-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 6-Jun-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): aeroacoustics
preliminary design
analytical model
Aeroakustik
Triebwerk
Vorauslegung
analytische Modellierung
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