Acoustical design of fans of aero-engines by means of multidisciplinary optimizations

Fan noise is the dominant noise source in modern aircraft engines with high bypass ratios. Therefore the consideration of the noise reduction during the design of a fan stages becomes more and more important. In state-of-the-art design processes of fan stages the aerodynamic performance and the mechanical stability is automatically optimized by means of numerical simulations of the parametrized fan stage. To enable also the consideration of the fan noise during the optimization a method is developed to extract all necessary parameters from the steady state flow simulation and calculate analytically the fan noise with the tool PropNoise. Methods are developed which allow the reconstruction of the aerodynamic excitation sources from the RANS-simulation at the positions where they interact with the blades. Based on the reconstructed flow field the dipol sources on the blade surfaces and the emitted noise is calculated analytically. The prediction quality of the RANS-informed analytical fan noise prediction method is compared to experimental, numerical and empirical results using the examples of three different fans at subsonic flow conditions. The different noise sources are usually predicted with a discrepancy of less than 3 dB. Whereby individual modes or frequencies can show higher discrepancies. Studies concerning uncertainty quantification have shown that the chosen turbulence model for the CFD-simulation can have an substantially impact on the predicted interaction noise. The method is also applied in aeroacustic optimizations of two fan stages. In the first one the number and depth of trailing edge serrations at the front rotor of a counter rotating open rotor are optimized with the aim to reduce the tonal noise. It is shown, that with constant aerodynamic performance the tonal noise is reduced due to the wavy wakes. The interaction of the wavy wakes with the blades leads to strong radial destructive interferences and therefore to a noise reduction. The multidisciplinary optimization of an UHBR fan has shown that the aerodynamic efficiency, the tonal noise and the broadband interaction noise have opposing dependencies on the stage loading. While the highest aerodynamic efficiency is found for supersonic flow conditions, the tonal noise is substantially lower at subsonic flow conditions due to the absence of self-noise sources and due to the decrease of tonal interaction noise by increasing the stage loading. However broadband interaction noise increases with increasing stage loading. Regarding broadband interaction noise the number of the vanes should be as low as possible. Regarding tonal interaction noise it has been shown, that with about 10 vanes similar low sound power levels can be achieved as with a conventional cut-off design. Based on the results of the optimization it has been shown, that blade lean and sweep have the highest interaction noise reduction potential without disturbing the aerodynamic efficiency.In modernen Flugzeugtriebwerken mit großem Nebenstromverhältnis stellt die Fanstufe die dominante Lärmquelle dar. Aus diesem Grund gewinnt bei der Auslegung der Fanstufen neben der Effizienzsteigerung und der mechanischen Stabilität immer mehr die Reduktion der Lärmemission an Bedeutung. In automatisierten Auslegungsprozessketten wird bereits auf Basis von stationären Strömungssimulationen die aerodynamische Performance und anhand von Struktursimulationen die mechanische Stabilität der iterativ veränderten Fanstufen bewertet und optimiert. Um mit praxisrelevantem Rechenaufwand auch die Lärmemission innerhalb einer solchen multidisziplinären Optimierung berücksichtigen zu können, wird in der vorliegenden Arbeit ein Verfahren weiterentwickelt, welches die in der Optimierung ohnehin anfallenden stationären Strömungssimulationen dazu verwendet, alle notwendigen Informationen zu extrahieren um mit dem Tool PropNoise analytisch den Fanlärm zu berechnen. Es werden Methoden entwickelt, welche die Rekonstruktion der instationären aerodynamischen Anregungsquellen aus der stationären Strömungssimulation an der Position ermöglichen, wo sie mit den Schaufeloberflächen interagieren. Auf Basis dieser Informationen werden mit den analytischen Modellen das resultierende fluktuierende Druckfeld auf der Schaufeloberfläche und der abgestrahlte Schall berechnet. Die beispielhafte Anwendung des Verfahrens der RANS-basierten analytischen Fanlärmberechnung an drei Fankonfigurationen mit subsonischer Strömung zeigt im Vergleich zu messtechnischen, numerischen und empirischen Ergebnissen, dass die Interaktionslärmquellen mit einer Genauigkeit von ca. 3 dB getroffen werden. Einzelne Moden und Frequenzen können auch deutlich größere Abweichungen aufweisen. In Studien hinsichtlich der Quantifizierung von Unsicherheiten in den Eingangsgrößen konnte gezeigt werden, dass die Wahl des Turbulenzmodells in den Strömungssimulationen einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Lärmberechnung hat. Das Verfahren wird außerdem in zwei aeroakustischen Optimierungen angewendet. In der ersten Optimierung werden die Hinterkantenzacken am ersten Rotor einer offenen gegenläufigen Stufe hinsichtlich der Anzahl und der Tiefe optimiert mit dem Ziel den Tonallärm zu reduzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass bei gleichbleibender aerodynamischer Performance der Tonallärm auf Grund der Minderumlenkung der Strömung durch die Hinterkantenzacken und dem daraus resultierenden welligen Nachlauf reduziert werden kann. Der wellige Nachlauf führt bei der Interaktion mit der stromab liegenden Schaufel zu verstärkten radialen destruktiven Interferenzen und infolgedessen zu einer Reduktion der abgestrahlten Schallleistung. In der multidisziplinären Neuauslegung einer UHBR-Fanstufe wird gezeigt, dass der aerodynamische Wirkungsgrad, der Tonallärm und der breitbandige Interaktionslärm gegenläufige Abhängigkeiten zur Schaufelbelastung aufweisen. Während das aerodynamische Optimum im supersonischen Bereich liegt, wo die auftretenden Stöße eine größere Arbeitsumsetzung ermöglichen, liegt das Optimum bezüglich der Lärmemission im subsonischen Bereich, wo die Stöße keinen zusätzlichen Lärm erzeugen und der tonale Interaktionslärm auf Grund stärkerer destruktiver radialer Interferenzen reduziert wird. Gleichzeitig weist aber der breitbandige Interaktionslärm einen gegenläufigen Trend zur Schaufelbelastung auf. Bei der Wahl der Statorschaufelanzahl ist hinsichtlich des breitbandigen Interaktionslärms eine möglichst geringe Anzahl von Schaufeln vorteilhaft. Für den tonalen Interaktionslärm wird gezeigt, dass mit geringen Statorschaufelanzahlen im Bereich von ca. 10 Schaufeln ähnlich geringe Pegel wie mit einem cut-off -Design erreicht werden können. Anhand der Ergebnisse der Optimierung lässt sich außerdem zeigen, dass die geeignete Neigung und Pfeilung der Schaufeln das größte Potential hinsichtlich der Reduktion des Interaktionslärms aufweisen bei gleichzeitig geringem Einfluss auf die aerodynamische Performance