Μελέτη Ηχητικής Εκπομπής Αντίρροπα Στρεφόμενων Πτερωτών και Βελτίωση Λογισμικού Εκτίμησης Ηχητικής Εκπομπής Σύγχρονων Αεροπορικών Κινητήρων

Abstract

Με στόχο τη μείωση της ηχορρύπανσης που δημιουργείται από την εναέρια κυκλοφορία ερευνούνται καινοτόμες μετατροπές στον σχεδιασμό των αεροπορικών κινητήρων. Μία από αυτές είναι η αντικατάσταση του συμβατικού μονοβάθμιου ανεμιστήρα με ανεμιστήρα αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών (Contra Rotating Fan). Στα πλαίσια του υπολογιστικού μέρους της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μοντελοποιήθηκε εμπειρική μέθοδος ηχητικής εκτίμησης ανεμιστήρα αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών, βασισμένη στην βιβλιογραφία. Η μέθοδος ενσωματώθηκε στο λογισμικό εκτίμησης θορύβου αεροσκαφών AERONOISE, του Εργαστηρίου Θερμικών Στροβιλομηχανών. Στο πειραματικό μέρος της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκαν ακουστικές μετρήσεις στην πειραματική κλειστή διάταξη αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών του Ε.Θ. Σ.. Τα επίπεδα θορύβου μετρήθηκαν με παραμέτρους τις ταχύτητες περιστροφής των δύο πτερωτών και του αξονικού διακένου ανάμεσά τους. Παρατηρήθηκε αύξηση των επιπέδων με αύξηση των ταχυτήτων περιστροφής των πτερωτών. Η ηχητική συμπεριφορά της πειραματικής διάταξης βελτιώνεται σε λειτουργία με υψηλότερη ταχύτητα περιστροφής του πρώτου ρότορα σε σχέση με την ταχύτητα περιστροφής του δεύτερου. Ακόμα παρατηρήθηκαν χαμηλότερα επίπεδα θορύβου αυξάνοντας το αξονικό διάκενο. Τα αποτελέσματα της ηχητικής εκτίμησης που προκύπτουν από την εμπειρική μέθοδο ακολουθούν την τάση των πειραματικών αποτελεσμάτων τόσο στην μεταβολή των στροφών όσο και του αξονικού διακένου. Ακολουθώντας την ανάπτυξη της τεχνολογίας των σύγχρονων αεροπορικών κινητήρων, οι εμπειρικές μέθοδοι ηχητικής εκτίμησής τους αναβαθμίζονται ή αντικαθίστανται προκειμένου να διατηρηθεί η ακρίβεια των προβλέψεών τους. Στην παρούσα εργασία μοντελοποιήθηκαν εμπειρικές μέθοδοι εκτίμησης θορύβου ανεμιστήρα και θαλάμου καύσης, οι οποίες ανακτήθηκαν από την βιβλιογραφία και βασίζονται σε πειραματικά δεδομένα κινητήρων τελευταίας τεχνολογίας. Στη συνέχεια ενσωματώθηκαν στο λογισμικό AERONOISE, το οποίο προβλέπει πλέον με μεγαλύτερη ακρίβεια τα επίπεδα θορύβου αεροπορικών κινητήρων τελευταίας τεχνολογίας. Τα αποτελέσματα των εκτιμήσεων επιπέδων θορύβου ανεμιστήρων σύγχρονων αεροπορικών κινητήρων συγκρίνονται με τα εκτιμώμενα επίπεδα θορύβου ανεμιστήρα αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών. Το συμπέρασμα είναι ότι οι αεροπορικοί κινητήρες με ανεμιστήρα αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών υπερέχουν ηχητικά, χάριν της μείωσης της ταχύτητας περιστροφής στον ανεμιστήρα για την επίτευξη του ίδιου λόγου πίεσης.

Aiming to the reduction of air traffic noise pollution , a number of innovative low pressure system component technologies are being investigated . One of these ideas is the replacement of single stage fan with Contra Rotating Fan (CRFan). The computational part of the present diploma thesis includes the modeling of an empirical method which predicts the sound emission of Contra Rotating Fan. The method is incorporated to the aircraft noise prediction program AERONOISE, which is provided by Laboratory of Thermal Turbomachines (LTT) of the National Technical University of Athens (NTUA). The experimental part of the present diploma thesis consists of the acoustics measurements of the contra rotating compressor test rig which is constructed by previous diploma thesis at the LTT. Measurements of sound pressure level acquired for different rotational speed combinations and for two axial gaps between the contra-rotors. The experimental data reveals that increasing the front rotor speed while decreasing the rear rotor speed is beneficial to noise. Moreover the noise levels are increased at higher rotational speeds. The axial gap between the rotors significantly affects the aeroacoustic performance of the contra-stage . The noise levels of the contra-stage is significantly reduced during the operation with the larger axial gap between the rotors. The results of the empirical method follow these trends of the experimental measurements. Due to the evolution of aircraft engines design, the noise prediction models which are based on empirical methods, need to be adjust or replaced by others in order to retain the accuracy of their prediction. The rest of the computational part of the present diploma thesis includes the modeling of two noise prediction empirical methods one for the fan and the other for combustor, based on experimental data of modern aircraft engines technology. These methods are incorporated at the AERONOISE. Finally the noise prediction of CRFan is compared with corresponding fan noise levels of modern aircrafts. The result is that the CRFan emit less noise because of the significantly lower rotational speed in order to obtain the same pressure ratio