Tool di design acustico preliminare per turbine aeronautiche

Nowadays, strict legislation on airplane acoustic emissions imposes well defined levels of perceived noise to be observed. Such targets can be achieved through an accurate acoustic design and prediction of the whole engine emissions. This procedure should include the analysis of the noise generated inside the turbine, as this component may play an important role in the overall engine acoustic signature at certain operating conditions. For these reasons, the development of fast and reliable tools to be used in the preliminary design phase is strongly encouraged by the aeronautical industry. The present work presents a preliminary acoustic design tool for turbine application. The tool provides an adequate description of the generation phenomena, including the propagation through downstream stages, scattering effects, and the radiation to far field microphone positions on a 150 ft rearward arc. Preliminary validation test-cases are reported. Finally, the Effective Perceived Noise Level (EPNL) is evaluated, allowing the comparison between different design solutions

Gli ultimi decenni hanno visto un’evoluzione impressionante del settore aeronautico, con un aumento costante del traffico aereo. In particolare l’espansione del comparto civile è stata così rapida che nel giro di qualche decennio l’idea stessa del trasporto aereo è cambiata radicalmente: da appannaggio di una ristretta elite di viaggiatori negli anni Settanta, è diventato un mezzo di trasporto di massa nei giorni d’oggi. Fra le preoccupazioni di carattere ambientale suscitate da una tale rivoluzione, il problema del rumore prodotto degli aeromobili ha acquistato negli anni un’importanza crescente. Si tratta di un problema di qualità della vita che ormai affligge milioni di persone in tutto il mondo: nella sola Europa, nel 2010, le persone coinvolte erano stimate intorno ai 3 milioni. Le origini del problema aeroacustico risalgono agli inizi degli anni Sessanta, con l’avvento dei primi motori civili a getto. In tali propulsori la sorgente dominante di rumore era data dal miscelamento dei gas di scarico ad alta velocità. L’incremento del rumore fu così massiccio che l’impronta acustica nelle vicinanze degli aeroporti incrementò di circa 6 volte rispetto a quella dovuta ai turboprop degli anni Cinquanta. Fu l’introduzione dei turbofan, motivata da una massimizzazione dell’efficienza propulsiva del motore, a portare sostanziali benefici per le emissioni acustiche. L’architettura a doppio flusso implicò una drastica riduzione del rumore del getto e decretò il primato del fan quale sorgente acustica. Negli ultimi decenni il rumore irradiato dai motori aeronautici è stato ulteriormente diminuito: questo in parte grazie all’aumento del rapporto di bypass (dai BPR 5 degli anni Settanta si è passati ai BPR superiori a 10 dei motori di ultima generazione), che ha comportato una riduzione della velocità di rotazione e una diminuzione del rapporto di compressione del fan, e quindi una minore generazione acustica dello stesso; in parte grazie allo sviluppo della disciplina aeroacustica, che ha permesso di approfondire i meccanismi di generazione e propagazione delle onde sonore, e ha fornito metodi di riduzione e controllo del rumore. E’ proprio a causa dei miglioramenti ottenuti per le emissioni di fan e getto che altri componenti motore, generalmente considerati meno critici a livello acustico, hanno recentemente acquisito importanza. E’ il caso della turbina di bassa pressione (LPT) che, specialmente nelle condizioni operative a bassa potenza (come l’atterraggio), quando il rumore generato dagli altri componenti è abbastanza basso, può diventare la sorgente acustica dominante per determinati intervalli di frequenza e determinati angoli di direttività all’interno dell’arco di propagazione posteriore del motore. Ciò è verificato nelle tradizionali architetture “direct-driven”, e lo sarà a maggior ragione nelle architetture “geared”, dato che le emissioni acustiche del fan risulteranno ulteriormente ridotte e il peso relativo del rumore turbina aumenterà. Il presente lavoro di dottorato si situa all’interno di questo scenario. La crescente importanza del rumore turbina a livello motore richiede di valutare il comportamento acustico della stessa fin dalle prime fasi del design per almeno due validi motivi: da un lato è noto che i criteri di progettazione acustica hanno un impatto non trascurabile sulle performance e sul peso del modulo LPT, quindi un approccio non integrato alla progettazione rischia di penalizzare eccessivamente il design; dall’altro, non considerare fin dall’inizio l’impatto acustico di una determinata soluzione progettuale potrebbe comportare la necessità di una ri-progettazione pressoché totale della turbina, qualora le successive analisi di dettaglio rivelassero il mancato rispetto dei requisiti acustici. E’ necessario pertanto sviluppare e validare modelli analitici per la stima delle emissioni turbina, da integrare opportunamente nel processo di progettazione preliminare. Caratteristiche imprescindibili di un simile strumento di previsione devono essere la completa integrabilità con le altre discipline e la velocità di esecuzione, entrambe fondamentali per poter realizzare studi parametrici e indagare un ampio “design space” in tempi ridotti