Minderung des Triebwerkslärms Projekt Leiser Flugverkehr II - Highlights der Ergebnisse des Hauptarbeitspakets 2A -

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1 Minderung des Triebwerkslärms Projekt Leiser Flugverkehr II - Highlights der Ergebnisse des Hauptarbeitspakets 2A - Lars Enghardt, Ulf Michel, Alexander Hergt, Burak Kaplan, Eberhard Nicke, Antoine Moreau, Henri Siller, Ulf Tapken, Christian Weckmüller Institut für Antriebstechnik, Standorte BC und KP Folie 1 1

2 HAP 2A: Minderung des Triebwerkslärms Überblick Leiser Fan (Entwurf und experimentelle Untersuchung) Leiser Stator Geneigte Triebwerksachse Reduktion des Breitbandlärms eines Fans Aktive Lärmminderung Zusammenfassung und Ausblick Folie 2 2

3 AP 2A.1: Numerischer Entwurf und experimentelle Untersuchung eines leisen UHBR- Fans Motivation Verringerung der Strahlgeschwindigkeit zur Erhöhung des Vortriebwirkungsgrades Reduzierung des Strahllärms Reduzierung des Fandruckverhältnisses Reduzierung der Drehzahl Reduktion des Machzahlniveaus und damit Eliminierung des Sägezahnlärms aerodynamische Optimierung mit dünnen GS Arbeitsplan Potential zur Reduktion des Breitbandlärmes Numerischer Fanentwurf Exp. Überprüfung im Rahmen eines EU-Projekts und eines nationalen Forschungsprojekts (LuFo III, Ende 2007) Folie 3 3

4 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. ThroughflowAuslegung Flußdiagramm: 3D-Verdichterentwurf 3D-Schaufel S1-Optimierung Rotor Stator Strakgeometrie nein o.k.? Profilgenerierung Q3D-Analyse (MISES) Y ZX ja p D-Rechennetz Datenreduktion Analyse, Visualisierung Y Z X 3D Mehrstufen-Navier-StokesStrömungsanalyse (TRACE) DLR Folie 4 4

5 Lärmreduktion durch niedrige Zuströmmachzahl an der Rotorblattspitze: Vermeidung des Sägezahnlärms (Buzz Saw Noise) 1,05 1,20 Ma 1 = 1,20 Ma 1 = 1,05 Folie 5 Ausbildung von Stößen wird fast vollständig vermieden durch niedrigere Anströmgeschw. Darstellung der Machzahlkonturen, Stoß senkrecht auf Profil 5

6 Instationäre Wechselwirkung zwischen Rotor und Bypass-Stator CUT-OFF-Design der Schaufelzahlen Rotor: B = 22 Bypass-Stator: V = 68 Rotor-OGV Interaktionsmoden (nach Tyler & Sofrin) k=-2 k=-1 k=0 k=1 k=2 1 BPF BPF BPF m= hb - kv mit h=1, 2, 3 & k=-2,-1,0,1,2 B= Rotorschaufelzahl V= Statorschaufelzahl CUT-ON, aber kleiner Abstrahlwirkungsgrad CUT-ON, aber kleine Amplitude Folie 6 6

7 Akustisches Druckfeld hinter dem Bypass-Stator für ausbreitungsfähige Moden: m=-24 (2BPF) m=-2 (3BPF) Folie 7 7

8 DLR Test Hardware UHBR fan 60 wall-flush mounted microphones arranged in 2 linear arrays 1 fixed reference microphone Side view of UHBR intake Folie 8 8

9 Experimentelle Ergebnisse Tyler-Sofrin-Mode m=-24 bei 2BPF nicht dominant Tyler-Sofrin-Mode m=-2 bei 3BPF identifiziert Folie 9 9

10 AP 2A.1: Fazit Fanauslegung erfolgreich, Fertigung abgeschlossen (2x leicht modifizierte Varianten, Silencer & DLR) exp. Validierung durch zu niedrige Prüfstandsleistung (max. 80%) und Unstimmigkeiten bei den ausgewählten Betriebspunkten sehr unsicher, Auftreten der Rotor-Stator-Interaktionsmoden wurde bestätigt, aber unerwartet hoher Breitbandlärmanteil Erstlauf DLR-UHBR-Fan steht unmittelbar bevor, Validierung über den gesamten Betriebsbereich geplant Folie 10 10

11 Motivation AP 2A.3: Leiser Stator Reduktion von Rotor-Stator-Interaktionstönen CFD-Simulationen zeigen Quellen an den Statorvorderkanten Konzept: akustische weiche Statorvorderkante Arbeitsplan Ausblasen von Micro-Jets / Absaugen durch eine perforierte Oberfläche an der Statorvorderkante Vereinfachte Konfiguration mit einem Profil im Nachlauf eines Zylinders Folie 11 11

12 Experimenteller Aufbau: Konfiguration Zylinder- Flügelprofil airfoil U rod Folie 12 12

13 Experimenteller Aufbau: Strömungskanal Luftversorgung außerhalb des reflexionsarmen Raums Zuluft für das Flügelprofil durch voluminöse Rohrleitungen Strömungsrichtung der Zuluft ist reversierbar Volumenfluss: m³/s air supply air supply microphone Folie 13 13

14 Experimenteller Aufbau: Lochbleche Panele an beiden Seiten des Profils ~3000 Perforationen Öffnungsverhältnis: 10% D=0.6 mm, s=1.6 mm Strömungsgeschw.: ~Mach 0.1 perforated panel Folie 14 14

15 Experimentelles Ergebnis (Fernfeldmikrofon) Absaugung erhöht den abgestrahlten tonalen Schallpegel Ausblasung reduziert den abgestrahlten tonalen Schallpegel Folie 15 15

16 AP 2A.3: Fazit Ausblasung reduziert die Lärmabstrahlung, weil von-karman-wirbel von Oberfläche abgeschirmt werden Dämpfung des Schalls durch Absaugen nicht erfolgreich, weil Von-Karman-Wirbel in Richtung der Profiloberfläche gesogen werden und so deren Schallabstrahlung effektiver wird Hauptlärmquelle: Wirbel an der Profil-Hinterkante Ausblick: Perforation der ganzen Statorvorderkante in einem Turbomaschinenmodell (EU-Projekt) Folie 16 16

17 Motivation Der Fan ist eine Hauptlärmquelle des Triebwerks beim Start eines Verkehrsflugzeuges Welchen Einfluss hat der Zuströmwinkel auf die Lärmemission des Fans? Arbeitsplan AP 2A.4: Geneigte Triebwerksachse Durchführung einer experimentellen Untersuchung an einem Windkanalmodell mit skalierter CFM56-Einlaufgeometrie Bestimmung der Lärmemission des Fan über Mikrofonmessung im Modelleinlauf Folie 17 17

18 Triebwerksmodell im Windkanal Maßstab 1:14 Originaleinlauf des Airbus A321 (CFM- 56) Fan mit 7 Rotorblättern elektrisch angetrieben 8 Mikrofone im Einlauf, gleichmäßig über den Umfang verteilt Folie 18 18

19 Triebwerksmodell im Windkanal 2 Folie 19 19

20 Experimentelles Ergebnis (Umfangsmittelung von 8 Mikrofonen) Folie 20 20

21 AP 2A.4: Fazit die Lärmemission nimmt ab einem Anstellwinkel von α = 10 signifikant zu eine Abhängigkeit des Fanlärms vom Zuströmwinkel unterhalb von α = 10 konnte nicht gefunden werden aerodynamische Messungen ergeben: minimaler Strömungswiderstand bei einem Anstellwinkel zwischen α = 2,4 und α = 2,9 der Schubkraftverlust bei dieser Anstellung beträgt nur 0,13% Folie 21 21

22 AP 2A.5: Reduktion des Breitbandlärms eines Fans Motivation Vom Fan abgestrahlter Breitbandlärm ist bei heutigen Flugtriebwerken beträchtlich und steigt in Zukunft relativ gesehen noch an Gezielte Unterdrückung von Breitbandlärm in zukünftigen Fan-Designs erfordert Identifizierung und Quantifizierung der Quellen Entwicklung von Modellen und Berechnungsverfahren Arbeitsplan Experimentelle Parameterstudie an einem Niedergeschwindigkeits-Modellfan Entwicklung eines empirischen Breitbandlärmmodells Folie 22 22

23 Experimenteller Aufbau Niedergeschwindigkeits Modellfan D = 0.5 m M tip = 0.22 Re = Blatt Rotor 16- Blatt Stator Folie 23 23

24 Einfluss der Fandrehzahl Effekt auf das akustische Fernfeld: Pegelmaxima nahe der Blattpassierfrequenzen Nahezu konstanter Abfall mit der Frequenz Ansteigender Pegel mit ansteigender Drehzahl PSD [db/eo] outlet duct 100% speed 85% speed 75% speed 65% speed 50% speed Total broadband power vs fan speed engine order PWL [db] ,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 2,05 log( fan speed [%] ) P eo measured 5. 2 power fit BBN U tip f f rotor = 1 π St Folie 24 24

25 Einfluss der Fandrosselung Effekt auf das akustische Fernfeld: niedrige Frequenzen: ansteigender Pegel mit ansteigender Drosselung hohe Frequenzen: Niedrige Drosselung produziert die höchsten Pegel PSD [db/eo] outlet duct 66% loading 100% loading 105% loading 98 Total broabdband power vs mean turbulence intensity 45 PWL [db] measured 88 power fit 86 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 log( Tu [%] ) engine order P BBN Tu 1.0 Folie 25 25

26 Empirische Modell für Fan- Breitband Totaler Breitbandleistungspegel abgestrahlt vom untersuchten Fan: P BBN = ρ π D c0 10 M 5.2 tip Tu 1.0 Folie 26 26

27 Modellbetrachtungen zur Relation Effizienz / Lärm Extrapolation der Testdaten bei konstanter Druckerhöhung (PR): - Aerodynamic efficiency model Max. η at 101% loading - Broadband noise model Min. P BBN at 98% loading Folie 27 27

28 AP 2A.5: Fazit Ein empirisches Breitbandlärmmodell wurde auf Basis der experimentellen Ergebnisse entwickelt. Anwendung des Modells ergibt für konstante Druckerhöhung des Fans: Es gibt eine optimale Kombination von Drehzahl und Drosselstellung zur Maximierung der Effizienz Es gibt eine optimale Kombination von Drehzahl und Drosselstellung zur Minimierung des abgestrahlten Breitbandlärms Folie 28 28

29 Motivation Fantöne werden im Einlauf- und im Bypasskanal durch realisierbare passive Maßnahmen nur unzureichend unterdrückt Aktive Lärmminderung kann lästige Fantöne besonders bei der Landung wirkungsvoll mittels Lautsprechern auslöschen Strömungsgenerierte Schallquellen (Einblasung durch Wanddüsen) sollen den Aufwand im Triebwerk bei gleicher Effizienz minimieren Arbeitsplan AP 2A.6: Aktive Lärmminderung Weiterentwicklung eines bestehenden Verfahrens, Anwendung auf mehrere Fantöne und höhere Moden Erprobung des Verfahrens unter realistischen Bedingungen [wird im Rahmen eines DFG-Vorhabens im Jahr 2009 durchgeführt] Folie 29 29

30 Generierung aeroakustischer Gegenschallquellen Stationäres Einblasen von Druckluft Gehäusewand Düse Rotor Einblasstrahl Folie 30 30

31 Ergebnisse Ausblaskanal für BPF Variation von: Einblasmassenstrom M In Umfangsposition i Senkrechte Düse: n = 4000/min; ϕ = 0,260 Δx/c = 0,12 ΔΘ = 22,5 i = 0 23,0 Δi = 0, BPF ΔL p Grundgeräusch L p,bpf = 106,2 db Mit Einblasung L p,bpf = 92,9 db ΔL p,bpf = 13,3 db L p [db] Frequenz [Hz] Folie 31 31

32 Ausblick: Praxisnahe Konfiguration Axialventilator DLR- Berlin UHBR Fan, Experimente am M2VP des DLR in Köln n = 100% Massenstrom Umfangsmachzahl Druckverhältnis Leistungsbedarf Ventilator m = 2,3 kg/s M Tip =0,22 P =1,01 P = 0,005 MW UHBR-Fan m =90kg/s M Tip =1,02 P =1,33 P = 3,600 MW Folie 32 32

33 HAP 2A: Zusammenfassung & Ausblick Beiträge zur direkten Minderung von Triebwerkslärm Langsamdrehender UHBR- Fan : Konzept hat aus Sicht des Instituts für Antriebstechnik in der DLR- Auslegungsvariante großes Lärmminderungspotenzial Leiser Stator : Vielversprechendes Konzept, welches im Rahmen eines neuen EU- Projekts (FLOCON) weiterverfolgt werden soll Aktive Lärmminderung durch aeroakustisch generierte Gegenschallquellen: Erfolgreiche Umsetzung wurde für mehrer Töne und höhere Moden demonstriert Test unter realistischen Betriebsbedingungen steht aus ( 2009) Beiträge zur Identifikation von Triebwerkslärmquellen Numerische Studie zur Abstrahlcharakteristik von Fanlärm zeigt: analytisches Modell als Grundlage inverser Schallquellenlokalisierungverfahren ungeeignet Geneigte Triebwerksachse: Anstellwinkel kleiner als ±10 zeigen keine signifikante Auswirkung auf die Akustik Reduktion von Fan- Breitbandlärm: Empirisches Modell wurde entwickelt und erfolgreich angewendet Folie 33 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 34 34