PREDICCIN Y REDUCCIN DE RUIDO EN MOTORES OPEN ROTOR

Marc Rovira Sacie

AEROACSTICA

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Tabla de Contenidos

1. Introduccin ..................................................................................................................... 2

1.1 Contexto: Propulsin en el sector aeronutico moderno ................................................ 2

1.2 Motivacin: El porqu de los motores Open Rotor ......................................................... 3

2. Descripcin de los motores Open Rotor ......................................................................... 5

2.2 Desventajas de los motores Open Rotor .......................................................................... 7

3. Prediccin de Ruido ......................................................................................................... 8

4. Estrategias de Reduccin de Ruido ............................................................................... 13

5. Conclusin ...................................................................................................................... 14

6. Bibliografa ..................................................................................................................... 15

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1. Introduccin

1.1 Contexto: Propulsin en el sector aeronutico moderno

La industria area moderna, y en especial el transporte de pasajeros, es un sector

empresarial competitivo como ninguno y que a la vez mueve enormes cantidades de

dinero. A tenor de esto hay grandes intereses por parte las aerolneas y ms an en las

Low Coat en reducir los costes lo ms posible.

A raz de las ltimas crisis energticas y las consiguientes subidas en el precio del

petrleo, la partida en los costes de las aerolneas para la compra de combustible ha ido

aumentando con el tiempo como podemos observar en la figura 1. Es por esto que los

fabricantes de motores de aviacin tienen ahora como su principal objetivo reducir al

mximo el consumo de combustible.

Figura 1: Comparativa de las distribuciones porcentuales de aerolneas europeas en 2001 y 2008

Este objetivo de reduccin de consumo se ve an ms acrecentado por presiones

polticas debidas a la creciente preocupacin de la ciudadana en lo referente a

contaminantes. Por lo tanto, ya que la reduccin del consumo es la principal va de

reduccin de contaminantes sin considerar posibles desarrollos para conseguir una

combustin ms limpia , esta se ha convertido en la quimera de todos los fabricantes.

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1.2 Motivacin: El porqu de los motores Open Rotor

Habiendo estudiado los principios

que gobiernan la propulsin sabemos que

el empuje se genera imprimiendo una

velocidad determinada a una masa de

aire. Para alcanzar los empujes deseados,

hoy en da la tecnologa ha tendido a los

fans que imprimen una gran velocidad a

una pequea masa de aire, en

comparacin con las hlices que hacen lo

opuesto como podemos apreciar en la

figura 2. As pues, el cumplimiento del

objetivo descrito anteriormente para los fabricantes de motores pasa necesariamente

por encontrar y desarrollar una tecnologa que nos permita aumentar el rendimiento

propulsivo para un empuje dado, ya que es la nica manera viable para mejorar el

consumo de combustible del motor y con l la cantidad de emisiones.

Para aumentar el rendimiento propulsivo recurrimos al aumento de la relacin de

derivacin ya que al aumentar el gasto del flujo secundario, aumentamos la corriente

de aire con una velocidad ms similar a la velocidad de vuelo y as reducimos las prdidas

por energa cintica. En la figura 3 podemos apreciar que con un aumento de la relacin

de derivacin, se aumenta el rendimiento propulsivo.

Figura 3: Variacin del rendimiento propulsivo con la relacin de derivacin

Figura 2: Generacin de empuje

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Sin embargo, con la tecnologa convencional (turbofan) no podemos aumentar a

nuestro antojo la relacin de derivacin. Como es sabido un aumento la relacin de

derivacin conduce a consumos especficos de combustible cada vez menores, pero est

limitado hasta el punto en el que la seccin del fan es tan grande que gran mayora del

empuje se emplea en vencer el arrastre y esto aumenta el consumo de combustible.

Intentando aumentar la relacin de derivacin sin tener que aumentar la seccin

transversal y por lo tanto sin incrementar el arrastre y el peso nos encontramos con

el concepto propfan. En este trabajo trataremos de analizar los motores Open Rotor que

pertenecen a la familia de los propfans.

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2. Descripcin de los motores Open Rotor

El alto rendimiento propulsivo y la reduccin del consumo de combustible en un Open

Rotor se basan en la eliminacin de la gndola que recubre el flujo secundario. As se

prescinde del arrastre y el aumento de peso producido por sta. Adems, podemos

apreciar viendo la figura 4 que se disponen dos hlices contrarotativas.

En este configuracin las hlices son la principal fuente de empuje del motor,

mientras que el ncleo del motor se encarga prcticamente slo de generar la potencia

que necesitan las hlices.

Rpidamente se nos viene a la mente asociar este concepto con el del motor

turbohlice tradicional, ya que ambos poseen un rotor que no est recubierto por una

gndola. Sin embargo, este concepto tiene mejoras frente a un turbohlice: mayores

rendimientos propulsivos y menores dimetros en la hlice.

Una importante fuente de prdidas en una hlice simple es la energa que es gastada

en el swirl a la salida de la hlice. Cualquier efecto tridimensional es contraproducente ya

que la componente axial es la nica utilizada en producir empuje. Sin embargo, en el caso

del Open Rotor, al existir dos hlices contrarrotativas, la hlice trasera convierte la

componente acimutal de la velocidad adquirida a su paso por la primera hlice en empuje

adicional axial. Esto le permite que cerca del 95% de la energa cintica sea transformada

en energa de propulsin, frente al 70% en un turbofan.

Figura 4: Open Rotor desarrollado por Snecma

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Otra diferencia significativa es que para un motor turbohlice, la nica manera viable

de aumentar la potencia es aumentar el dimetro de la hlice. Sin embargo, esto

comenzara a ser un problema en la integracin en el avin, ya que el peso aumentara y

adems la hlice podra llegar a ser tan grande que no tendra espacio. Con la tecnologa

Open Rotor se pueden llegar a relaciones de derivacin de aproximadamente 30:1 40:1,

algo impensable para los actuales turbofan, que actualmente, se encuentran en unos

valores de relacin de derivacin de 12:1.

Las configuraciones ms tpicas adoptadas por los fabricantes que abordan esta

tecnologa son: Open Rotor con caja reductora y Open Rotor con accionamiento directo

de las hlices

En la actualidad Rolls Royce se encuentra implicada en el estudio de un tipo de motor

Open Rotor con caja reductora. Cuenta con un compresor de baja presin y un compresor

de alta presin accionados por turbinas de baja y alta presin, respectivamente. Las

hlices contrarrotativas son provistas de potencia por una turbina de baja presin a

travs de una caja de reduccin.

El motor Open Rotor de

transmisin directa fue

desarrollado en la dcada de

los 80 por General Electric y

NASA bajo el nombre GE-36

UDF (visible en la figura 5) y se

llev hasta la fase de

demostracin en vuelo en un

Boeing 7J7 y un McDonnel

Douglas MD-81 en el ao 1987. El GE-36 UDF logr reducir notablemente el consumo de

combustible pero los altos niveles de ruido y vibraciones producidos, sumados a la bajada

del precio del petrleo dictaron el final del proyecto. Esta configuracin presenta una

turbina de baja presin contrarrotativa y cada hlice del motor est conectada

directamente a una parte de la turbina.

Figura 5: Motor GE-36 UDF en un McDonnel Douglas MD-81

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2.1 Desventajas de los motores Open Rotor

Esta tecnologa presenta una gran disminucin del consumo de combustible debido

a la alta eficiencia en la propulsin. Sin embargo, tambin muestra grandes retos que

deben ser superados por los fabricantes para que puedan ser certificadas para su uso en

la aviacin civil. Los principales desafos que presenta el Open Rotor son:

Elevadas emisiones de ruido.

Fuertes vibraciones que implican reforzar las estructuras.

Estabilidad debido a la instalacin en la parte trasera del fuselaje del avin.

Mantenimiento de mltiples etapas contrarrotativas altamente complejo.

La principal de estas desventajas es indudablemente las elevadas emisiones de ruido.

En el resto de este trabajo analizaremos en mayor detalle este problema. Primero se

intentarn aislar y entender las distintas fuentes de ruido con el fin de predecirlo y

finalmente procuraremos tocar las principales estrategias para su reduccin.

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3. Prediccin de Ruido

El diseo sistemas de propulsin Open Rotor que puedan satisfacer normativas

sobre el ruido y que sean tambin compatibles con la comodidad de los pasajeros

requiere de herramientas de prediccin de ruido que sean a la vez precisas y robustas.

Debido a que los motores Open Rotor producen un ruido con abundante contenido

tonal, hay mucho nfasis en asegurar que este espectro se puede predecir con fiabilidad.

Debido a la complejidad de los fenmenos aeroacsticos, no es de extraar que los

distintos intentos de modelar de dicho campo hayan sido muy dispares, variando desde

modelos completamente experimentales a unos pocos modelos totalmente numricos.

Sin embargo el camino ms seguido por investigadores hoy en da es un modelo

intermedio donde las dificultades asociadas con la gran disparidad entre el campo

aerodinmico no-lineal y el campo acstico lineal se abordan separando ambos

campos. La manera matemtico-fsica de analizar el problema pasa actualmente por

usar la analoga acstica de Lighthill en su extensin desarrollada por Ffowcs-Williams y

Hawkings, dando lugar a la ecuacin del mismo nombre. Esta ecuacin describe el

campo acstico como un conjunto espacial y temporal sobre las regiones aerodinmicas

Figura 6: Ilustracin de las distintas fuentes acsticas de ancho de banda en un motor Open Rotor

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de inters. Aplicado al caso de un motor Open Rotor estas seran la superficie de las

palas y el volumen alrededor de las mismas. Dicha ecuacin, de complejidad matemtica

considerable es la siguiente:

Donde adems tenemos los siguientes trminos con dependencia temporal:

Incluyendo tambin la descripcin de la funcin de Green para un medio mvil:

As pues tenemos la ecuacin completa considerando solo los trminos no viscosos

debido a que son los nicos que tienen un efecto importante sobre la generacin de

ruido tonal.

Analizando los tres trminos a la izquierda de la igualdad podemos ver en primer

lugar el trmino asociado al ruido de espesor (thickness noise) y en segundo lugar el

asociado a la carga aerodinmica (loading noise), representados en la figura 7. El tercer

trmino es el complejo trmino cuadrupolar que contiene las contribuciones de la

turbulencia y de procesos no isentrpicos como fuentes sonoras.

Figura 7: Ilustracin del ruido debido al espesor y a la carga aerodinmica

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Una vez la geometra del rotor, su carga aerodinmica y el trmino cuadrupolar son

conocidos la ecuacin de Ffowcs-Williams y Hawkings se puede evaluar de forma

explcita de dos formas:

Mediante integracin numrica de las integrales temporales y espaciales

para un dominio de tiempo.

Pasar al dominio de la frecuencia y asumir que el observador est en campo

lejano.

Este ltimo mtodo simplifica enormemente las ecuaciones dando lugar a

expresiones analticas para las integrales sobre el dominio y ha sido muy usado. Sin

embargo, no es til para evaluar el ruido en cabina ya que se considera de campo

cercano.

Las investigaciones ms recientes en el desarrollo de modelos para predecir el

comportamiento del campo acstico en todo el dominio espacial parecen muy

prometedores, consiguiendo una exactitud ms que notable incluso en la vecindad de

las palas como se puede comprobar en las figuras 8 y 9. Estos modelos estn basados en

formulaciones asintticas de la ecuacin de Ffowcs-Williams y Hawkings que permite

preservar la geometra compleja de las palas y genera una solucin vlida para todo el

dominio espacial.

Figura 8: Presin sonora calculada y medida para distintas distancias verticales al rotor

Figura 9: Presin sonora calculada y medida para distintas velocidades del rotor

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Como podemos observar, en ningn caso se ha considerado el efecto de la

dispersin acstica debida al cuerpo central. Esto es debido a que para las velocidades

de vuelo eminentemente subsnicas de los motores Open Rotor, el radio snico recae

fuera la punta de las palas y por ende la interaccin es despreciable. Esto no sera as

para vuelos supersnicos, pero es altamente improbable que se usen motores Open

Rotor para volar por encima de la velocidad del sonido debido las ondas de choque

producidas en la punta de las palas.

Por otro lado, no podemos olvidar el ruido de ancho de banda que es tambin

clave en los motores Open Rotor como se puede observar en la figura 10. Este tipo de

ruido es generado por efectos de interaccin y de turbulencia y es ms complicado de

calcular de forma exacta comparado con el ruido tonal.

Las fuentes de ruido de ancho de banda en un Open Rotor no son muy diferentes

a las de un turbofan, pero su radiacin si lo ser, debido a la ausencia de la gndola. A

continuacin veremos los distintos tipos de fuentes de ruido de ancho de banda:

Ruido de rotor nico: considerando solo un rotor, este producir ruido de ancho

de banda debido al borde de fuga, la punta de la pala y la separacin de flujo.

o Borde de fuga: se produce debido a la deformacin de los vrtices de la

capa lmite turbulenta al dejar el borde de fuga para satisfacer la

condicin de continuidad entre las presiones de intrads y extrads

(Condicin de Kutta). La evolucin de estos vrtices produce un

difraccin eficiente de las ondas acsticas en el borde de fuga.

Figura 10: Ruido tonal y de ancho de banda en un motor Open Rotor

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o Punta de la pala: cuando el flujo pasa alrededor de la punta se genera una

estructura tridimensional ms compleja que los vrtices del borde de

fuga, sin embargo los mecanismos de produccin de ruido son

semejantes. Actualmente se desconoce si la importancia de relativa de

este fenmeno es mayor o menos que la del borde de fuga.

o Separacin de flujo: al separarse la capa lmite se general variaciones de

presin esttica que se traducen en ruido de ancho de banda. Sin

embargo los diseos modernos no contemplan desprendimiento, al

menos en las condiciones de diseo como despegue, aterrizaje y crucero.

Ruido de interaccin: hay un gran nmero de interacciones entre los diversos

elementos de un motor Open Rotor, sin embargo los ms significativos son:

o Interaccin entre la estela turbulenta del rotor delantero y el rotor

trasero: los vrtices desprendidos viajan hacia el rotor trasero siguiendo

un movimiento helicoidal que al impactar sobre el rotor trasero generan

variaciones tericas del ngulo de incidencia, causando asimismo

variaciones en la funciones de carga aerodinmica. Este efecto se

amplifica en la punta debido a la estructura ms compleja del vrtice en

este punto. Si bien esto se puede reducir acortando el dimetro de las

palas traseras, el efecto principal permanece y es an ms notorio

cuando se vuela con un ngulo de ataque diferente de cero.

o Interaccin entre el piln de sujecin y el rotor delantero: el ruido se

genera debido a la interaccin de la estela turbulenta del piln con el

borde de ataque del rotor delantero.

Si bien hay algunos modelos semi-empricos que intentan calcular estas fuentes

de ruido de ancho de banda, en ningn caso son totalmente precisas. Son capaces

de predecir la forma general de las curvas de intensidad sonora y los picos

principales de frecuencias pero an tienen grandes inconsistencias que se deben

superar para poder analizar el ruido total de un Open Rotor de manera efectiva.

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4. Estrategias de Reduccin de Ruido

Si bien es trabajo terico sobre modelos de prediccin aeroacstico es extenso, los

diseos finales de motores Open Rotor son pocos y siguen presentando altos niveles de

ruido. A continuacin se muestran las principales estrategias usadas actualmente para

la reduccin de presin sonora en comparacin con los primeros diseos de motores

Open Rotor de la dcada de los 80.

En relacin al ruido producido por una fila nica de rotores, los primeros diseos

tenan un nmero muy reducido de palas, 9 en el caso del GE-36. Adems, debido a esto

las velocidades de las palas deban ser mayores. Gracias a los modelos aeroacsticos se

ha podido demostrar que el aumento del nmero de palas y la reduccin de la velocidad

en la punta de las mismas ayuda a la reduccin del ruido tonal.

Por otro lado, el ruido generado por la interaccin entre ambas filas de palas

tambin se puede reducir ampliando el espacio entre ellas y sobre todo usando un

nmero diferente de palas para las dos estaciones. Esta modificacin, que en todos los

casos implica un mayor nmero de palas en la segunda fila de palas, reduce en gran

medida los sonidos provocados por la interaccin de los campos acsticos de las dos

estaciones.

Finalmente aadir que las ltimas reducciones de ruido tonal tambin ha venido de

la mano de los diseos ms avanzados de las palas con formas ms complejas y debido

a las nuevas tecnologas de soplado de piln.

Figura 11: Descripcin de algunas estrategias de reduccin de ruido

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5. Conclusin

A pesar del gran trabajo realizado en el correcto modelado del ruido de los motores

Open Rotor hay que saber que siguen estando altamente limitados por sus niveles de

presin sonora. Actualmente estos motores son viables ya que cumplen las normativas

de emisiones sobradamente y tienen bajas emisiones pero estn en el lmite de la

legislacin en materia acstica. Por lo tanto, a medida que avance el tiempo y las leyes

se endurezcan no ser posible seguir con la produccin de estos motores, lo que significa

que el trabajo terico en la prediccin de las fuentes sonoras y sus interacciones debe

traducirse como ya se est haciendo en implementaciones reales a estos motores

que aseguren su viabilidad en el sector aeronutico a largo plazo.

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6. Bibliografa

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Surfaces in Arbitrary Motion, Phil. Trans. Roy. Soc., A264, 1969, pp. 321-342.

[2] Farassat, F., Dunn, M. H., Tinetti, A. F., and Nark, D. M., Open Rotor Noise

Prediction Methods at NASA Langley A Technology Review, 15th AIAA/CEAS

Aeroacoustics Conference, Miami, Florida, Paper No. AIAA-2009-3133, 2009.

[3] Hanson, D. B., Noise of Counter-Rotation Propellers, J. of Aircraft, Vol. 22, No.

7, 1985, pp. 609-617.

[4] Ffowcs Williams, J .E. and Hawkings, D. L., Theory Relating to the Noise of

Rotating Machinery, J. Sound Vib., 10(1), 1969, pp. 10-21.

[5] S.A.L. Glegg, Effect of Center Body Scattering on Propeller Noise, AIAA Journal

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[6] Farassat, F., Derivation of Formulations 1 and 1A of Farassat, NASA-TM-2007-

214853, March 2007, http://ntrs.nasa.gov.

[7] P. Spalart, Initial noise predictions for open rotors using first principles, AIAA

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[9] T. Nod-Langlois, F. Wlassow, V. Languille, Y. Colin, B. Caruelle, Prediction of

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[10] V. P. Blandeau, Phillip F. Joseph and Brian J. Tester, Broadband Noise Prediction

From Rotor-Wake Interaction In Contra-Rotating Propfans, 15th AIAA/CEAS

Aeroacoustics Conference (30th AIAA Aeroacoustics Conference).