DE69830679T2

DE69830679T2 - Akustisch verbesserte Anordung von Gasturbinenschaufeln

Info

Publication number: DE69830679T2
Application number: DE69830679T
Authority: DE
Inventors: Jr. Robert J. Rocky Hill Manzi; Douglas C. Marlborough Mathews; Soter P. Vernon Slomski; Johan South Windsor van Achterberg
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2018-04-10
Also published as: EP0870903A2; JPH10288002A; JP4095155B2; US5966525A; DE69830679D1; EP0870903B1; EP0870903A3

Description

Die Erfindung betrifft das Abschwächen von Geräusch aus Kombinationstönen, welches von einer rotierenden Laufschaufelanordnung, insbesondere der rotierenden Bläserlaufschaufelanordnung einer Gasturbinenmaschine, abgegeben wird.
Gasturbinenmaschinen des Typs, der zum Antreiben von Flugzeugen verwendet wird, weisen einen Bläserrotor auf, der eine Anordnung von Bläserlaufschaufeln aufweist, die in einem Triebwerkseinlasskanal zurückgesetzt sind und von einer zentralen Nabe radial nach außen ragen. Während des Triebwerksbetriebs rotieren die Nabe und die Laufschaufeln um eine in Längsrichtung verlaufende Achse, um einen durch den Kanal strömenden Luftstrom mit Druck zu beaufschlagen. Bei genügend hohen Drehzahlen arbeiten die radial äußersten Bereiche der Bläserlaufschaufeln im Überschallbereich, so dass die Vorderkante einer jeden Laufschaufel einen aerodynamischen Stoß erzeugt. Diese Stöße schreiten nach vorne fort, d.h. entgegensetzt zur Strömungsrichtung des Luftstroms, und treten aus dem Einlasskanal aus.
In der Praxis unterscheidet sich jede Laufschaufel in der Anordnung geringfügig von den anderen Laufschaufeln in der Anordnung wegen zulässiger Herstellungs- und Installationstoleranzen. Wegen dieser Ungleichförmigkeiten von Laufschaufel zu Laufschaufel sind die Stöße nicht gleichförmig ausgerichtet und schreiten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten voran. Infolge wechselwirken die Stöße mit dem Einlasskanal und erzeugen ein komplexes, zeitveränderliches Luftdruckmuster, welches sich ein Mal pro Rotorumdrehung wiederholt. Das Frequenzspektrum dieses Druckmusters weist eine Fundamentalfrequenz ein Mal pro Bläserrotorumdrehung sowie mehrere Harmonische der Fundamentalfrequenz höherer Ordnung auf. Das zu dem Druckmuster gehörende Geräusch ist als Kombinationston-Geräusch oder Geräusch mehrerer reiner Töne bekannt, und kann, wenn es sich nach vorne über die Grenzen des Einlasskanals ausbreitet, für an Bord befindliche Personen in der Flugzeugkabine und Anwohner in der Nähe des Flughafens störend sein.
Kombinationston-Geräusch wird wahrscheinlich ein zunehmend vorherrschendes Problem werden, da die Bläser moderner Triebwerke einen größeren Durchmesser als die von Triebwerken früherer Generation haben und deshalb bei niedrigeren Drehzahlen arbeiten. Außerdem verwenden moderne Triebwerke häufig weniger Bläserlaufschaufeln als Triebwerke früherer Generationen. Diese beiden Trends, langsamere Drehzahl und verringerte Laufschaufelanzahl, führen dazu, dass die akustische Energie des Kombinationston-Geräusches bei niedrigeren Frequenzen konzentriert ist. Da akustische Energie bei niedrigen Frequenzen weniger leicht abschwächbar ist als akustische Energie bei hohen Frequenzen, scheinen momentane Trends in der Gasturbinenindustrie das Problem von Kombinationston-Geräusch wahrscheinlich zu verschärfen.
Ein möglicher Weg, das Problem des Kombinationston-Geräusches anzusprechen, ist es, Schall abschwächendes Material im Rumpf des Flugzeugs zu verwenden, um die an Bord befindlichen Personen gegen das Geräusch abzuschirmen. Jedoch fügt das Schall abschwächende Material dem Flugzeug Kosten und Gewicht zu und es kann schwierig zu inkorporieren sein, wenn das Bedürfnis für das Material nicht früh bei der Konstruktion des Flugzeugs vorhergesehen worden war. Außerdem trägt die Verwendung von Schall abschwächendem Material in dem Flugzeug Nichts zum Lindern des Geräuschproblems für die Allgemeinheit bei.
Ein weiterer möglicher Weg, Kombinationston-Geräusch zu adressieren, ist das Minimieren der Größe der Ungleichförmigkeiten von Laufschaufel zu Laufschaufel in dem man straffere Herstellungstoleranzen auferlegt. Jedoch ist dieser Ansatz unerwünscht, da er die Kosten der Laufschaufelherstellung eskaliert. Das Anlegen strengerer Toleranzen ist auch als Hilfsmittel für Kombinationston-Geräusch geeignet, welches durch einen existierenden Bläser erzeugt wird, der Laufschaufeln aufweist, die vor dem Anlegen dieser Toleranzen hergestellt wurden, außer der Triebwerkseigner arbeitet die existierenden Laufschaufeln auf oder ersetzt sie durch neu hergestellte Laufschaufeln – aufwendige und wenig ansprechende Aktionen, wenn die existierenden Laufschaufeln ansonsten einsatztauglich sind. Die bedingungslose Auferlegung strengerer Herstellungsstandards kann auch unerwünscht sein, weil eine übermäßige Gleichförmigkeit von Laufschaufel zu Laufschaufel den Bläser anfällig für Flattern machen kann, ein möglicherweise zerstörerisches aeroelastisches Phänomen.
Das Minimieren der Nichtgleichförmigkeit von Laufschaufel zu Laufschaufel kann auch durch sorgfältiges Auswählen eines Teilsatzes von annähernd gleichförmigen Laufschaufeln aus einem größeren Satz von weniger gleichförmigen Laufschaufeln geschehen. Dieser Ansatz verläßt sich jedoch auf das Vorhandensein eines ausreichend großen Inventars von Laufschaufeln, aus denen der Teilsatz ausgewählt werden kann. Es ist unwahrscheinlich, dass ein Triebwerkshersteller ein derartiges Inventar besitzt, und der Triebwerkseigner, der mit dem gelegentlichen Bedürfnis, einige beschädigte Laufschaufeln in einem Rotor zu ersetzen befaßt ist, wird fast sicher auch kein adäquates Inventar besitzen. Selbst wenn ein derartiges Inventar verfügbar wäre, verlangsamt das Erfordernis, einen annähernd gleichförmigen Teilsatz von Laufschaufeln auszuwählen, die Geschwindigkeit der Montage-Arbeitsschritte und bringt ohne ein zusätzliches Auswahlkriterium die vorangehend Bezug genommene Möglichkeit des Flatterns ein.
US-A-4,732,532 beschreibt einen mit Laufschaufeln versehenen Rotor, bei dem die Laufschaufeln aufeinanderfolgend (sequenced) angeordnet sind, um ausgewählte Töne, die in einem Kreissägengeräusch vorhanden sind, zu minimieren.
Man erkennt deshalb, dass existierende Verfahren zum Ansprechen des Problems von Kombinationston-Geräusch unbefriedigend sind und dass ein einfacher, effektiver und ökonomischer Weg zum Abschwächen von Kombinationston-Geräusch benötigt wird.
Die Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, dass das Frequenzspektrum von Kombinationston-Geräusch leicht abfallende Harmonische niedriger Ordnung, die in dem Triebwerkseinlasskanal abfallen, sowie abfallbeständige Har monische höherer Ordnung, die sich über den Kanal hinaus ausbreiten, aufweisen und dass eine signifikante Abschwächung von Kombinationston-Geräusch erzielbar ist, indem man akustische Energie aus den abfallbeständigen Harmonischen heraus zwingt und in die abfallanfälligen Harmonischen bringt. Die Erfindung basiert ferner zum Teil auf der Erkenntnis, dass eine Population von Bläserlaufschaufeln, die physikalische Ungleichförmigkeiten zeigen, in einer Nabe verteilt sein können, dass sie die genannte Zuordnung von akustischer Energie auf die Kombinationston-Geräusch-Harmonischen bewirken.
Gemäß einem ersten Aspekt liefert die Erfindung einen beschaufelten Rotor für eine Turbinenmaschine, wobei der Rotor eine um eine in Längsrichtung verlaufende Achse rotationsfähige Nabe und eine Population von Laufschaufeln aufweist, die umfangsmäßig in der Nabe an diskreten Winkelpositionen verteilt sind und von der Nabe weg ragen, wobei die Laufschaufeln mindestens eine umfangsmäßig variierende physikalische Ungleichförmigkeit aufweisen, die zu Kombinationston-Geräusch beträgt, wobei das Kombinationston-Geräusch ein Geräuschfrequenzspektrum hat, aus dem eine der Harmonischen eine Abschneide-Harmonische der Ordnung n ist, wobei n eine positive gerade Zahl ist, wobei die Variation von jeder physikalischen Ungleichförmigkeit bezogen auf die Winkelposition ein umfangsmäßig ungleichförmiges Spektrum hat, wobei der Rotor dadurch gekennzeichnet ist, dass die Laufschaufeln in der Nabe so verteilt sind, dass mindestens eine der Ungleichförmigkeiten eine Periodizität hinsichtlich der Winkelposition von etwa q mal pro 360° zeigt, wobei q eine gerade Zahl ist, die für jede Ungleichförmigkeit spezifisch ist, wobei q größer als oder gleich 2 ist und nicht größer ist als n, so dass das Kombinationston-Geräusch abgeschwächt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zum Minimieren von Kombinationston-Geräusch, welches durch einen beschaufelten Rotor mit einer Nabe erzeugt wird, der um eine in Längsrichtung verlaufende Zentralachse rotationsfähig ist, und einer Population von Laufschaufeln, die umfangsmäßig in der Nabe an diskreten Winkelpositionen verteilt sind und von der Nabe weg ragen, wobei die Laufschaufeln mindestens eine umfangsmäßig variierende physikalische Ungleichförmigkeit haben, die zu dem Kombination ston-Geräusch beiträgt, wobei das Kombinationston-Geräusch ein Geräuschfrequenzspektrum hat, von dem eine der Harmonischen eine Abschneide-Harmonische der Ordnung n ist, wobei n eine positive gerade Zahl ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
Quantifizieren der physikalischen Ungleichförmigkeiten; und
Verteilen der Laufschaufeln in dem Rotor derart, dass mindestens eine der Ungleichförmigkeiten eine Periodizität hinsichtlich Winkelpositionen von etwa q mal pro 360° zeigt, wobei q eine gerade Zahl ist, die für jede Ungleichförmigkeit spezifisch ist, wobei q größer als oder gleich 2 ist und nicht größer als n ist, so dass das Kombinationston-Geräusch abgeschwächt wird.
Gemäß der Erfindung wird eine Population von Bläserlaufschaufeln, die eine physikalische Ungleichförmigkeit von Laufschaufel zu Laufschaufel zeigt, in einer Nabe derart verteilt, dass das umfangsmäßige Spektrum der Ungleichförmigkeit durch umfangsmäßige Harmonische dominiert wird, deren Ordnung die der höchsten Ordnung der abfallanfälligen Harmonischen des Kombinationston-Geräusch-Frequenzspektrums nicht überschreitet.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann man in der Bereitstellung einer Anordnung von Turbinenlaufschaufeln für eine Gasturbinenmaschine umfangsmäßig verteilt um eine Achse sehen, wobei die Anordnung der Laufschaufeln um die Achse gewählt ist, um eine periodische Variation einer physikalischen Ungleichförmigkeit zwischen den Laufschaufeln ergeben bereitzustellen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die physikalische Ungleichförmigkeit der Vorderkanten-Anstellwinkel (pitch angle) der Laufschaufeln und das umfangsmäßige Ungleiehförmigkeitsspektrum ist durch umfangsmäßige Harmonische einer Ordnung kleiner 2 dominiert.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Dominanz wünschenswerter umfangsmäßiger Harmonischer niedriger Ordnung durch das Verteilen der Laufschaufeln derart bewirkt, dass die gewichtete Summe der Amplituden der unerwünschten umfangsmäßigen Harmonischen höherer Ordnung nicht größer als ein spezieller Schwellenwert ist.
Die Erfindung ist dahingehend vorteilhaft, dass sie Kombinationston-Geräusch an seiner Quelle bekämpft und deshalb sowohl Geräuschprobleme der Allgemeinheit als auch Flugzeugkabinengeräuschprobleme anspricht. Weil sich die Erfindung auf die geschickte Verteilung der Laufschaufeln und nicht auf strenge Herstellungstoleranzen verläßt, ist sie kosteneffizient und auf existierende Laufschaufelanordnungen sowie neu montierte Laufschaufelanordnungen anwendbar. Außerdem besteht wenig begleitendes Risiko für Bläserflattern, weil die Erfindung das umfangsmäßige Spektrum der physikalischen Ungleichförmigkeit manipuliert, statt den Versuch zu unternehmen, die Ungleichförmigkeit zu minimieren.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine schematische Seitenschnittansicht einer Gasturbinenmaschine mit einer Bläserlaufschaufelanordnung und aufgenommen in einer aerodynamisch stromlinienförmigen Gondel.
2 ist eine Ansicht, die in der Richtung 2-2 der 1 genommen ist und die Bläserlaufschaufelanordnung mit Laufschaufeln zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung verteilt sind.
3A, 3B und 3C sind jeweils eine schematische abgewickelte Ansicht eines Teils einer idealen Bläserlaufschaufelanordnung, die aerodynamische Stöße, die durch jede Laufschaufel erzeugt werden, einen grafischen Auftrag eines zu den Stößen gehörenden Drucksignals und ein Spektraldiagramm zeigt, welches das Frequenzspektrum des Drucksignals zeigt.
4A, 4B und 4C sind jeweils eine schematische, abgewickelte Ansicht eines Teils einer Bläserlaufschaufelanordnung mit Ungleichförmigkeit von Laufschaufel zu Laufschaufel und der Darstellung aerodynamischer Stöße, die von jeder Laufschaufel erzeugt werden, eine grafische Darstellung eines zu den Stößen gehörenden Drucksignals und das Spektraldiagramm, welches das Frequenzspektrum des Drucksignals zeigt.
5 ist eine Schnittansicht des Vorderkantenbereichs einer Bläserlaufschaufel, die in der Richtung 5-5 von 2 genommen ist und zeigt die Definition des Vorderkanten-Staffelungswinkel λ.
6 ist eine Tabelle, die den Staffelungswinkel einer Population von Bläserlaufschaufeln zeigt und die Positionen dieser Laufschaufeln in einer Bläsernabe gemäß der vorliegenden Erfindung und gemäß dem Stand der Technik zeigt.
7A, 7B und 7C sind jeweils eine grafische Darstellung, welche den Bläserlaufschaufel-Staffelungswinkel über der umfangsmäßigen Position für eine Population von Laufschaufeln, die in einer Nabe verteilt sind, das umfangsmäßige Spektrum der Staffelungswinkelverteilung und das Frequenzspektrum von Kombinationston-Geräusch zeigt, welches von der Laufschaufelpopulation während Maschinenbetrieb abgegeben wird.
8A, 8B und 8C sind jeweils eine grafische Darstellung, die einen Bläserlaufschaufel-Staffelungswinkel über der umfangsmäßigen Verteilung für eine Population von Laufschaufeln, die in einer Nabe gemäß dem Stand der Technik verteilt sind, das umfangsmäßige Spektrum der Staffelungswinkelverteilung und das Frequenzspektrum von Kombinationston-Geräusch zeigt, welches von der Laufschaufelpopulation während Maschinenbetrieb abgegeben wird.
9 ist eine grafische Darstellung, die Geräusch als eine Funktion einer gewichteten Summe der umfangsmäßigen Harmonischen einer Staffelungswinkelverteilung zeigt.
Es wird auf die 1 und 2 Bezug genommen. Eine Flugzeuggasturbinenmaschine 30 weist einen Bläserrotor 32 auf, der um eine in Längsrichtung verlaufende Achse 34 rotationsfähig ist. Der Bläserrotor weist eine Bläserlaufschaufelanordnung 36 auf, die eine Population von 22 Laufschaufeln 38 aufweist, die individuell mit Bezugszeichen B₁ bis B₂₂ bezeichnet sind. Jede Laufschaufel hat eine Vorderkante 40 und eine Hinterkante 42 und ist in einem von 22 Halteschlitzen 46, die einzeln mit 1 bis 22 nummeriert sind, in einer Rotornabe 48 befestigt. Der Bläserrotor hat einen Durchmesser D, bei dem es sich um den Abstand von einer Laufschaufelspitze zu der diametral gegenüberliegenden Laufschaufelspitze handelt.
Die Maschine ist in einer aerodynamisch stromlinienförmigen Gondel 52 untergebracht, deren vorderer Bereich einen Einlass 54 mit einer Lippe 56 an deren vordersten Extrembereich ist. Der Einlass begrenzt einen Aufnahmekanal 58 und die Maschine ist in der Gondel so positioniert, dass die Vorderkante der Bläserlaufschaufelanordnung in den Kanal um einen Längsabstand d, dem Abstand von der Lippe zu der Vorderkante der Anordnung, zurückgesetzt ist.
Während des Triebwerksbetriebs rotiert der Bläserrotor um die Achse in Richtung R mit einer Drehzahl N, die gemäß der Leistungsanforderungen, die auf das Triebwerk aufgebracht werden, variiert. Die Rotorrotation und die Vorwärtsgeschwindigkeit des Triebwerks bewirken, dass Umgebungsluft 62 in den Aufnahmekanal gelangt und durch die Bläserlaufschaufelanordnung strömt, die die Luft zur Verwendung durch andere Triebwerkskomponenten druckbeaufschlagt. Unmittelbar vor der Bläserlaufschaufelanordnung hat die Luft eine Machzahlkomponente M_x in der Längsrichtung und sie ist in der Lage, Schall- oder Druckwellen bei einer Schallgeschwindigkeit c auszubreiten. Bei ausrei chend hohen Drehzahlen arbeiten die radial äußersten Bereiche der Bläserlaufschaufeln im Überschallbereich, so dass die Vorderkante einer jeden Laufschaufel einen aerodynamischen Stoß erzeugt.
Es wird nun auf die 3A bis 3C Bezug genommen. Jede Laufschaufel, wie sie in der Nabe installiert ist, ist idealerweise identisch zu jeder anderen Laufschaufel. Das heißt, es gibt keine Unterschiede bei irgendwelchen physikalischen Merkmalen der Laufschaufeln 38, beispielsweise ihrer Gestalt, Position oder Orientierung, die die Gleichförmigkeit der in der Nähe der Laufschaufelspitzen erzeugten Stöße 66 beeinflussen würden. Außerdem haben die Stöße eine gleichförmige Stärke und breiten sich deshalb mit der gleichen Geschwindigkeit aus. Deshalb nimmt ein Beobachter, der vor der Laufschaufelanordnung positioniert ist, ein sich zeitlich veränderndes Druck- oder Geräuschsignal wahr, wie in der 3B gezeigt, wenn die sich ausbreitenden Stöße an der Position des Beobachters ankommen. Wie durch das Spektraldiagramm der 3C gezeigt, weist das Frequenzspektrum des Geräuschsignals eine Fundamentalfrequenz gleich der Laufschaufel-Durchlauffrequenz BPF (BPF – blade passing frequency), d.h. der Geschwindigkeit, mit der Bläserlaufschaufeln an einem willkürlichen winkelmäßigen Bezugspunkt vorbei laufen, und Harmonische höherer Ordnung (ganzzahlige Vielfache) der Laufschaufel-Durchlauffrequenz auf.
In der Praxis ist die vorangehend beschriebene ideale Laufschaufelanordnung nicht machbar. Zulässige Toleranzen bei der Herstellung und der Installation der Laufschaufeln bewirken, dass jede Laufschaufel von den anderen Laufschaufeln geringfügig verschieden ist. Beispielsweise zeigt 4A eine Laufschaufelanordnung, die eine Anzahl von physikalischen Ungleichförmigkeiten von Laufschaufel zu Laufschaufel zeigt. Diese Ungleichförmigkeiten, die in der Darstellung stark übertrieben sind, umfassen Unterschiede bei der Laufschaufel-Vorderkantenposition Δx, winkelmäßiger Laufschaufelversatz ΔΘ (den man deutlicher in 2 erkennt), und Laufschaufel-Orientierung oder -Anstellwinkel, wie durch den Vorderkanten-Staffelungswinkel λ bestimmt. Im Kontext der vorliegenden Erfindung, und wie es in der 5 dargestellt ist, ist der Vorderkanten-Staffelungswinkel der spitze Winkel zwischen einer Linie 68 rechtwinklig zu der Triebwerksachse 34 und einer zweiten Linie 70 durch zwei Punkte 72, 74 an der konvex gekrümmten Oberfläche 76 der Laufschaufel, wobei die Punkte diejenigen bei 5% und 30% des Abstands entlang der konvexen Oberfläche 76 zwischen der Vorderkante und der Hinterkante 40, 42 sind.
Infolge der genannten physikalischen Ungleichförmigkeiten sind die durch die Laufschaufel-Vorderkanten erzeugten Stöße 66 ungleichförmig orientiert und haben eine ungleiche Stärke und breiten sich deshalb mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Folglich überholen manche der Stöße andere Stöße, wenn sie sich nach vorne in dem Aufnahmekanal ausbreiten. Die Stoßwechselwirkungen erzeugen ein komplexes, sich zeitlich veränderndes Druck- oder Geräuschsignal, wie beispielsweise das in der 4B gezeigte Signal, welches sich ein Mal pro Rotorumdrehung wiederholt. Das Frequenzspektrum des Geräuschsignals ist in der 4C gezeigt und enthält eine fundamentale Frequenz, die mit 1E in der Darstellung bezeichnet ist, von einem Mal pro Rotorumdrehung (d.h. ein Mal pro 360°). Das Spektrum beinhaltet auch mehrere Harmonische höherer Ordnung der Fundamentalfrequenz (z.B. zwei Mal pro Umdrehung oder 2E, drei Mal pro Umdrehung oder 3E, etc.), welche die Laufschaufel-Durchlauffrequenz (22 mal Pro Umdrehung) und mehrfache davon aufweisen. Geräusch mit dieser Fundamentalfrequenz ein Mal pro Umdrehung und ihrer Harmonischen höherer Ordnung wird als Kombinationston-Geräusch oder Geräusch mehrerer reiner Töne bezeichnet (und wird manchmal umgangssprachlich als "Kreissägengeräusch" bezeichnet) und kann für den Beobachter höchst störend sein. Andere physikalische Ungleichförmigkeiten als die vorangehend beschriebenen können auch zu Kombinationston-Geräusch beitragen und unterschiedliche Typen von Ungleichförmigkeiten können ungleich zu der Erzeugung von Kombinationston-Geräusch beitragen.
Die in 4C gezeigten Harmonischen können kategorisiert werden als entweder abfallanfällig oder abfallbeständig. Eine Harmonische ist abfallanfällig, wenn ihre Schallenergieamplitude innerhalb eines vordefinierten Abstands von der Geräuschquelle auf nicht mehr als eine vorbestimmte Amplitude abfällt, in diesem Fall innerhalb des Abstands d von der Vorderkante der Bläserlaufschaufelanordnung zu der Einlasslippe 56. Die vorbestimmte Amplitude ist spezifisch für jede Harmonische und sie ist eine Amplitude, die akustisch für einen Beob achter nicht störend ist. Gemeinsam sind die abfallanfälligen Harmonischen eine aufeinanderfolgende Gruppe von Harmonischen an dem niedrigen Ende des Frequenzspektrums. Die abfallanfälligen Harmonischen beinhalten mindestens die erste oder fundamentale Harmonische und können Harmonische höherer Ordnung als die Harmonische erster Ordnung beinhalten. Die Harmonische höchster Ordnung, die abfallanfällig ist, wird als Abschneide-Harmonische oder Abschneide-Frequenz bezeichnet. Harmonische mit größerer Ordnung als der Ordnung der Abschneide-Harmonischen sind die abfallbeständigen Harmonischen. Die abfallbeständig Harmonischen sind, anders als die abfallanfälligen Harmonischen in der Lage für eine Ausbreitung über eine große Strecke.
Gemäß der vorangegangenen Beobachtung kann Kombinationston-Geräusch signifikant abgeschwächt werden, wenn mindestens ein Teil der Schallenergie von deren Geräuschfrequenzspektrum aus den abfallbeständigen Harmonischen und in die abfallanfälligen Harmonischen gezwungen wird. Die vorliegende Erfindung liefert eine Bläserlaufschaufelanordnung, die mindestens eine physikalische Ungleichförmigkeit von Laufschaufel zu Laufschaufel zeigt, die für Kombinationston-Geräusch verantwortlich ist, und deren Laufschaufeln in einer Nabe verteilt sind, um die vorangehend beschriebene Zuordnung von Schallenergie auf die Kombinationston-Geräusch-Harmonischen bewirkt. Insbesondere sind die Laufschaufeln so verteilt, dass das räumliche oder umfangsmäßige Spektrum der physikalischen Ungleichförmigkeit durch umfangsmäßige Harmonische dominiert wird, deren Ordnung nicht größer ist als die Ordnung der Abschneide-Harmonischen des Kombinationston-Geräusch-Spektrums. Im Fall von durch eine Bläserlaufschaufelanordnung, die in einer Triebwerksgondel zurückgesetzt ist, erzeugtem Kombinationston-Geräusch kann die Ordnung der Abschneide-Harmonischen aus einfach bestimmbaren physikalischen Parametern vorhergesagt werden.
Die Anwendung dieser Prinzipien auf eine Gasturbinenmaschine wird nun demonstriert. Die Maschine hat einen Bläserrotor mit 22 Laufschaufeln, wie schematisch in der 2 gezeigt. Unterschiede im Anstellwinkel, wie durch den Staffelungswinkel λ angezeigt, wurden als Hauptbeitrag zu Kombinationston- Geräusch bestimmt, der von diesem speziellen Triebwerk abgegeben wird, und deshalb ist der Staffelungswinkel die einzige physikalische Ungleichförmigkeit, die in der folgenden Demonstration berücksichtigt wird.
Die Ordnung n der Abschneide-Harmonischen wird aus einer Relation bestimmt, die aus der Spinning Mode Theorie herleitbar ist, die auf J. M. Tyler, T. G. Sofrin und J. C. McCann zurückgeht und in deren Veröffentlichungen ("Axial Flow Compressor Noise Studies", Tyler & Sofrin, Transactions of the S. A. E., Vol. 70, Seiten 309–332, 1962; und Pratt & Whitney "Experience in Compressor Noise Reduction", Sofrin & McCann zur Präsentation bei der Acoustical Society of America, 72^nd Treffen, Los Angelos, Californien, 2.–5. Nov. 1966) dokumentiert ist. Wie in der Veröffentlichung von Tyler & Sofrin erklärt, sind M_m und M_m* die Spinning Mode-Spitzen-Machzahl und die korrespondierende Machzahl, bei der ein Spinning Mode von Abfall auf Ausbreitung übergeht. Im Fall eines Kanals mit einer dort hindurch strömenden Luft (in der Sofrin & McCann Veröffentlichung diskutiert), kommt es zu dem Übergang zwischen Abfall und Ausbreitung, wenn das folgende Verhältnis kleiner ist als 1,0: Mm/{Mm*(1,0 – Mx 2)0,5}wobei M_x die Längskomponente der Machzahl unmittelbar strömungsaufwärts der Vorderkante der Bläserlaufschaufelanordnung ist.
Tabelle 2 der Tyler & Sofrin Veröffentlichung drückt auch die Relation zwischen M_m* und der Anzahl m, von Knoten an dem Spinning Muster – d.h. der Anzahl von Spinning Bäuchen, für einige Naben-Spitzen-Verhältnisse σ aus. Für einen kreisförmigen Kanal gilt σ = 0 und die Relation von Tabelle 2 kann genähert werden als: Mm* = 1,0 + 0,81m–0,665.
Die Spinning Mode-Spitzen-Machzahl M_m ist πDN/720c, wobei D der Rotordurchmesser (2) ausgedrückt in Inch, N die Rotorwinkelgeschwindigkeit, ausgedrückt in Umdrehungen pro Minute, bei der das Maximieren der Ab schwächung des Kombinationston-Geräusches erwünscht ist, und c die lokale Schallgeschwindigkeit unmittelbar strömungsaufwärts von der Vorderkante der Bläserlaufschaufelanordnung ist, wobei c in Feet per second ausgedrückt ist. Unter Kombination des vorangehenden gilt, dass der Übergang zwischen Abfall und Ausbreitung auftritt, wo: m < (0,81/{[πDN/720c(1 – Mx 2)0,5] – 1})1,504.
Die Ordnung n der Abschneide-Harmonischen muss eine gerade Zahl sein, die kleiner oder gleich der Anzahl von Bäuchen, m, am Übergangspunkt ist. Mit anderen Worten gilt: n ≤ (0,81/{[πDN/720c(1 – Mx 2)0,5] – 1})1,504.
Für die interessierende Maschine gilt, D ist gleich 112 Inch (284,5 cm) und N ist gleich 2500 Umdrehungen pro Minute. Bei den Betriebsbedingungen von Interesse gilt, c ist gleich 1117 Feet per second (340,5 m/sek) und M_x ist gleich 0,5. Mit diesen Werten ergibt die rechte Seite der vorangehenden Relation einen Wert von 5,43. Wie vorangehend angegeben, ist n die Ordnung der Abschneide-Harmonischen und muss deshalb eine gerade Zahl sein, deshalb ist n gleich 5, die größte gerade Zahl, die nicht größer ist als der aus der vorangegangenen Relation bestimmte Wert. In der Begrifflichkeit des Kombinationston-Geräusch-Frequenzspektrums entspricht die Abschneidefrequenz der fünften Harmonischen, d.h. einer Frequenz von fünf mal pro Umdrehung oder fünf mal pro 360°. Somit sind die fünfte Harmonische und alle Harmonischen niedrigerer Ordnung (d.h. die erste bis vierte Harmonische) abfallanfällig und fallen bis auf eine nicht störende Amplitude innerhalb des Aufnahmekanals, d.h. innerhalb des Abstands d (1) von der Vorderkante der Bläserlaufschaufelanordnung zu der Einlasslippe 56, ab. Die Harmonischen sechster und höherer Ordnung sind abfallbeständig.
Es wird auf die Tabelle der 6 Bezug genommen. Eine Population von 22 Bläserlaufschaufeln, die individuell mit Bezugszeichen B₁ bis B₂₂ bezeichnet sind und die angegebenen Staffelungswinkel haben, steht für eine Verteilung in der Nabe 48 der 1 und 2 zur Verfügung. Die Staffelungswinkel repräsentieren eine tatsächliche Population von Laufschaufeln und sind typisch für Laufschaufeln, die für die Maschine von Interesse hergestellt werden. Wenn die Laufschaufeln in der Nabe verteilt sind, zeigen die Laufschaufeln kollektiv eine räumliche Verteilung, insbesondere eine umfangsmäßige Verteilung, der Staffelungswinkel und diese umfangsmäßige Verteilung hat ein zugehöriges räumliches oder umfangsmäßiges Spektrum. Gemäß der Erfindung sind die Laufschaufeln so verteilt, dass das umfangsmäßige Spektrum der Staffelungswinkelverteilung durch wünschenswerte umfangsmäßige Harmonische einer Ordnung die nicht größer ist als q dominiert ist, wobei q eine gerade Zahl ist, die nicht größer ist als n, der Abschneide-Harmonischen des Kombinationston-Geräusch-Frequenzspektrums. Prinzipiell kann q so groß wie n sein. Jedoch ist bekannt, dass die abfallanfälligen Harmonischen höherer Ordnung des Geräuschfrequenzspektrums weniger abfallanfällig als deren Gegenstücke niedrigerer Ordnung sind. In der Praxis ist es deshalb fachgerecht, einen Wert von q zu wählen, der niedriger ist als n. Für die spezielle Maschine von Interesse wird q als 2 gewählt. Deshalb sind die Laufschaufeln in der Nabe so verteilt, dass das umfangsmäßige Spektrum der Ungleichförmigkeit (Staffelungswinkel) durch umfangsmäßige Harmonische einer Ordnung nicht größer als 2 dominiert wird. In dem generellen Fall, wo mehrere Ungleichförmigkeiten betrachtet werden, kann der Wert q für jede Ungleichförmigkeit spezifisch sein.
Eine Verteilung von Laufschaufeln, die die vorangegangene Bedingung erfüllt (dass das umfangsmäßige Spektrum der Staffelungswinkelverteilung durch wünschenswerte umfangsmäßige Harmonische einer Ordnung nicht größer als 2 dominiert wird), ist durch die Spalte angezeigt, die als "Laufschaufelposition für Geräuschverringerung" in der 6 bezeichnet ist. Beispielsweise ist die Laufschaufel B₁ dem Nabenhalteschlitz mit der Nr. 4 zugewiesen, die Laufschaufel B₂ der Schlitznummer 3 usw. Die vollständige Verteilung der Laufschaufeln ist in der 2 dargestellt. 7A zeigt die korrespondierende Verteilung der Staffelungswinkel auf die umfangsmäßige Position, und 7B zeigt das umfangsmäßige Spektrum der Staffelungswinkelverteilung von 7A. Insbesondere zeigt 7B die Koeffizienten A_k(A ≠ 0) des Ausdrucks: λ = A0 + A1sin(Θ + Φ1) + A2sin(2Θ + Φ2) + ... + A11sin(11Θ + Φ11)wobei Θ die Winkelposition einer jeden Laufschaufel in der Anordnung und Φ ein Harmonischen spezifischer Phasenwinkel ist. Harmonische größerer Ordnung als Harmonische elfter Ordnung sind nicht gezeigt, da es durchschnittlich zwei Laufschaufeln erfordert, um einen Zyklus von Staffelungswinkelvariation zu definieren und deshalb nicht mehr als elf Variationszyklen durch eine Population von 22 Laufschaufeln definiert werden können. 7C zeigt das korrespondierende Kombinationston-Geräusch(Schalldruck)-Spektrum.
Eine Untersuchung der 7B ergibt, dass die Summe der Amplituden der wünschenswerten (erste und zweite) Harmonischen (etwa 0,32) die Summe der Amplituden der unerwünschten (dritte bis elfte) Harmonischen (etwa 0,29) überschreitet. Außerdem ist die Summe der Amplituden der wünschenswerten Harmonischen mindestens drei Mal so groß wie die größte Amplitude einer unerwünschten Harmonischen (d.h. 0,06 Amplitude der vierten Harmonischen). Somit wird das umfangsmäßige Spektrum, wie zum Abschwächen von Kombinationston-Geräusch erforderlich, durch Harmonische dominiert, deren Größenordnung nicht größer als 2 ist. In diesem speziellen Beispiel ist die zweite Harmonische die einzige signifikante Harmonische und deshalb zeigt die Staffelungswinkelverteilung (7A) eine Periodizität von etwa zwei Mal pro 360°. Generell zeigt eine Ungleichförmigkeitsverteilung, die durch ihre umfangsmäßige Harmonische der k-ten Ordnung dominiert wird, eine Periodizität von k mal pro 360° (wenngleich nicht alle Verteilungen, die eine Periodizität von k mal pro 360° zeigen, notwendigerweise von ihrer umfangsmäßigen Harmonischen k-ter Ordnung dominiert sind).
Die Effizienz der vorangehend beschriebenen Laufschaufelverteilung beim Bekämpfen von Kombinationston-Geräusch wird durch Vergleich der 7A bis 7C mit den 8A bis 8C demonstriert. Die 8A bis 8C zeigen die Staffelungswinkelverteilung, das umfangsmäßige Spektrum und das Kombinationston-Geräusch(Schalldruck)-Spektrum für einen Rotor, der die gleiche Population von Laufschaufeln, wie in der 6 gezeigt, verwendet, aber dessen Laufschaufeln verteilt sind, wie in der letzten Spalte von 6 gezeigt, ohne Berücksichtigung einer Kombinationston-Geräusch-Abschwächung. Die Staffelungswinkelverteilung von 8A zeigt anders als die von 7A keine beobachtbare Periodizität, und das umfangsmäßige Spektrum der 8B ergibt nicht das Dominieren der wünschenswerten (zweite Ordnung und niedriger) Harmonischen, die in 7B ersichtlich ist. Die Summe der Amplituden der wünschenswerten Harmonischen (0,13) ist nur ein Bruchteil der Summe der Amplituden der unerwünschten Harmonischen (0,71), und die Summe der Amplituden der wünschenswerten Harmonischen ist lediglich im Wesentlichen gleich der größten Amplitude einer unerwünschten Harmonischen (d.h. der 0,12 Amplitude der dritten Harmonischen). Den Effekt auf das Kombinationston-Geräusch erkennt man klar durch Vergleichen der Geräuschspektren der 7C und 8C (zur Erleichterung des Vergleichs sind die Spektren auf den maximalen Schalldruck normiert, der bei einer Laufschaufelverteilung des Standes der Technik beobachtet wurde, insbesondere der Laufschaufelverteilung der letzten Spalte von 6). Diese Spektren zeigen, dass bei der Laufschaufelverteilung, wie durch die Erfindung vorgeschrieben, eine signifikante Menge an Schallenergie aus den abfallbeständigen Geräusch-Harmonischen heraus gedrängt wurde. Die Energie wurde auf die abfallanfälligen Harmonischen verteilt. Weil die abfallanfälligen Harmonischen in dem Aufnahmekanal abfallen, statt zur Außenseite des Kanals fortzuschreiten, sind sie in der 7C nicht ersichtlich und sie werden auch durch einen Beobachter außerhalb des Kanals nicht wahrgenommen.
Ein Weg zum Bestimmen, ob ein umfangsmäßiges Spektrum von einer wünschenswerten umfangsmäßigen Harmonischen (d.h. einer einer Größenordnung von nicht größer als q) dominiert ist, ist es, die zuvor erwähnte Beobachtung zu nutzen, dass eine Staffelungswinkelverteilung (oder jede andere Verteilung einer Ungleichförmigkeit) mit einer Periodizität von k mal pro 360° durch die k-te umfangsmäßige Harmonische dominiert sein kann. Wenn beispielsweise die wünschenswerteste Harmonische höchster Ordnung, q, als drei gewählt ist, sollten die Laufschaufeln in der Anordnung so verteilt sein, dass deren Staffelungswinkel eine Periodizität von etwa 3 mal pro 360° zeigen. Da die Periodizität die Dominanz der dritten umfangsmäßigen Harmonischen nahelegt, jedoch nicht garantiert, ist eine Spektralgehaltanalyse der Staffelungswinkelver teilung zu empfehlen, um die Unterordnung der unerwünschten Harmonischen zu verifizieren. Wie bekannt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass die dritte Harmonische dominant ist, verbessert, wenn sich die Staffelungswinkel bezogen auf die Winkelposition allmählich und nicht abrupt ändern. Klarer ausgedrückt, wenn der Staffelungswinkel λ als eine kontinuierliche Funktion der Winkelposition Θ ausgedrückt wird, sollten die Ableitungen d^Nλ/d Θ^N nicht diskontinuierlich sein oder sich nicht hinsichtlich der Winkelposition abrupt ändern.
Ein zuverlässigerer Weg zum Sicherstellen, dass ein umfangsmäßiges Spektrum durch wünschenswerte umfangsmäßige Harmonische dominiert ist, ist es einen Wichtungsfaktor, der nicht Null ist, jeder unerwünschten umfangsmäßigen Harmonischen (denen einer Ordnung größer als q) zuzuweisen und die Amplitude einer jeden unerwünschten Harmonischen mit ihrem zugeordneten Gewichtungsfaktor zu multiplizieren. Wenn die Summe der gewichteten Amplituden nicht größer als die spezifizierte Amplitudenschwelle ist, betrachtet man die Laufschaufelverteilung, die zu dem umfangsmäßigen Spektrum korrespondiert, als von der gewünschten umfangsmäßigen Harmonischen dominiert. Die Gewichtungsfaktoren reflektieren die relative Unerwünschtheit der umfangsmäßigen Harmonischen und der Amplitudenschwellenwert ist so gewählt, dass Kombinationston-Geräusch, welches durch die Laufschaufelanordnung erzeugt wird, für einen Beobachter akzeptabel ist. Eine Relation, die eine derartige gewichtete Summe zu einem quantifizierbaren Störungsniveau korreliert (ausgedrückt in Einheiten, die als "sones" bekannt sind) ist in der 9 gezeigt. Die Gewichtungsfaktoren, die in der gewichteten Summe reflektiert sind, sind 1,875 für die vierte Harmonische und 1,25 für die dritte und fünfte bis elfte Harmonische. Für die spezielle betrachtete Maschine hat man herausgefunden, dass die Gewichtungsfaktoren die Identifizierung von Laufschaufelverteilungen erleichtern, die nicht nur Kombinationston-Geräusch abschwächen, sondern auch Rotorunwuchtgrenzen erfüllen.
Ein anderer Weg zum Sicherstellen der Dominanz der wünschenswerten Harmonischen ist das Evaluieren der gewichteten Summe für eine Anzahl von Kandidaten-Laufschaufelverteilungen und das Auswählen der Laufschaufelverteilungen, die zu der minimalen dieser gewichteten Summe korrespondie ren. Für Laufschaufelanordnungen mit einer kleinen Anzahl von Laufschaufeln kann es möglich sein, die gewichteten Summen für alle möglichen Verteilungen zu Evaluieren und so die absolut minimale gewichtete Summe zu identifizieren. Für Anordnungen mit großen Anzahlen von Laufschaufeln, beispielsweise die Anordnung mit 22 Laufschaufeln des vorangegangenen Beispiels, überschreiten die Anstrengungen zum Evaluieren aller möglichen Laufschaufelverteilungen die Fähigkeiten der momentan zur Verfügung stehenden Rechnerkapazitäten. Deshalb ist es praktischer, einen Teilsatz aller möglichen Laufschaufelverteilungen zu Evaluieren und die minimale gewichtete Summe für den Teilsatz zu wählen. Eine derartige "Quasi"-Minimierung bringt nicht nur den Umfang des Aufwands in die Reichweite bestehender Rechnerkapazitäten sondern ist auch höchst erfolgreich beim Identifizieren von Laufschaufelverteilungen, deren Kombinationston-Geräusch-Emissionen akzeptabel sind.
In der Praxis muss die Verteilung von Laufschaufeln in einer Nabe andere Überlegungen berücksichtigen als das Abschwächen von Kombinationston-Geräusch. Beispielsweise zeigen Bläserlaufschaufeln typischerweise Variationen sowohl in der Maße als auch im Schwerpunkt. Wenn solche Laufschaufeln ohne Rücksicht auf die Unterschiede in Maße und Schwerpunkt verteilt werden, wird der Rotor wahrscheinlich unwuchtig sein und wird während Maschinenbetrieb übermäßig schwingen. Es gibt jedoch keinen fundamentalen Konflikt zwischen dem Verteilen der Laufschaufeln zum Abschwächen von Kombinationston-Geräusch und dem Verteilen der Laufschaufeln, um akzeptable Unwuchtniveaus zu erzielen – manche der möglichen Laufschaufelverteilungen, die effektiv Kombinationston-Geräusch abschwächen sind auch im Gleichgewicht ausgewuchtet, so dass beide Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden können. Die Laufschaufelverteilung von 7A präsentiert genau eine solche gleichzeitige Befriedigung sowohl von Unwuchts-Überlegungen als Geräusch-Überlegungen. Die Unwucht ist zweifelsohne größer als sie sein könnte, wenn man die Kombinationston-Geräusch-Überlegungen ignoriert hätte, dennoch innerhalb akzeptabler Grenzen. Ähnlich könnten die abfallanfällige erste und zweite Harmonische noch dominanter gemacht werden, wenn Gleichgewichts-Überlegungen vernachlässigt würden, oder eine weniger enge Gleichgewichtsgrenze eingehalten würde.
Die Bestimmung einer Laufschaufelverteilung, die effektiv Kombinationston-Geräusch abschwächt, wird am effizientesten durch einen auf einem Computer ausgeführten Algorithmus durchgeführt. Mindestens identifiziert der Algorithmus eine Laufschaufelverteilung, deren umfangsmäßiges Ungleichförmigkeitsspektrum durch die gewünschten umfangsmäßigen Harmonischen dominiert wird. Das Vorherrschen der gewünschten Harmonischen kann sichergestellt werden, indem man eine Schwellenwertamplitude für die gewichtete Summe der unerwünschten Harmonischen spezifiziert, indem man absolut die gewichtete Summe der unerwünschten Harmonischen minimiert oder quasi-minimiert, oder indem man irgendein anderes Kriterium einführt, welches sicherstellt, dass durch die Laufschaufelanordnung erzeugtes Kombinationston-Geräusch für einen Beobachter akzeptabel ist. Für den Fall, dass man bestimmt, dass mehrere physikalische Ungleichförmigkeiten signifikant zur Erzeugung von Kombinationston-Geräusch beitragen, kann der Algorithmus Laufschaufelverteilungen identifizieren, bei denen das umfangsmäßige Spektrum jeder Ungleichförmigkeit von wünschenswerten Harmonischen dominiert wird, und die wünschenswerte Harmonische höchster Ordnung kann für jede Ungleichförmigkeit spezifisch sein. Außerdem kann der Einfluss einer jeden Ungleichförmigkeit gewichtet werden, um deren Relativbeitrag zu Kombinationston-Geräusch und somit das Ausmaß, in dem diese Ungleichförmigkeit die Laufschaufelverteilung beeinflusst, zu reflektieren. Wenn beispielsweise Staffelungswinkel, Laufschaufel-Vorderkantenposition und Winkelversatz der Laufschaufel alle nicht vernachlässigbare Beiträge zum Kombinationston-Geräusch liefern, kann die höchste Ordnung der wünschenswerten Ordnungen der Harmonischen q als 2,3 bzw. 4 gewählt werden und die Ungleichförmigkeiten könnten 80%, 15% bzw. 5% gewichtet werden.
Ein am Computer ausgeführter Algorithmus kann auch einfach Laufschaufelverteilungen identifizieren, die gleichzeitig mehrere Grenzwerte erfüllen, beispielsweise Kombinationston-Geräuschabschwächung und Rotorgleichgewichtsanforderungen. Ein Algorithmus, der zum Befriedigen derartiger mehrerer Grenzwerte als nützlich gefunden wurde, ist in dem US-Patent 5,537,861 beschrieben. Das Patent beschreibt ein Verfahren zum Auswuchten eines be- schaufelten Rotors durch Zuordnen von "Strafen" zu einer Anzahl von Kandidaten-Laufschaufelverteilungen. Eine dieser Strafen kann die gewichtete Summe der unerwünschten Harmonischen oder ein anderes bequemes Maß für Kombinationston-Geräusch sein, welches Potential für jede Kandidatenverteilung erzeugt. Verwendet man den Algorithmus auf diese Weise, so reflektieren die ergebenen Laufschaufelverteilungen sowohl Gleichgewichts- als auch Kombinationston-Geräusch-Überlegungen.
Man erkennt aus der vorangegangenen Beschreibung, dass bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Kombinationston-Geräusch-Emissionen von Bläserlaufschaufelanordnungen von Turbinenmaschinen abschwächen und das auf eine Weise tun, die sowohl Geräuschprobleme der Allgemeinheit als auch in der Flugzeugkabine anspricht.
Die bevorzugten Ausführungsformen schwächen auch Kombinationston-Geräusch ab, ohne signifikant die Kosten zur Triebwerksherstellung zu erhöhen oder die Maschinenzusammenbau-Arbeitsschritte zu komplizieren.
Sie schwächen auch Kombinationston-Geräusch in einer Weise ab, die einfach und ökonomisch auf existierende Turbinentriebwerks-Bläserlaufschaufeln angewandt werden kann, insbesondere ohne das Risiko von Bläserflattern mit sich zu bringen.

Claims

Beschaufelter Rotor für eine Turbinenmaschine, wobei der Rotor eine um eine in Längsrichtung verlaufende Achse rotationsfähige Nabe und eine Population von umfangsmäßig in der Nabe an diskreten Winkelpositionen verteilten und von der Nabe wegragenden Laufschaufeln aufweist, wobei die Laufschaufeln mindestens eine umfangsmäßig variierende, physikalische Ungleichförmigkeit haben, die zu Kombinationston-Geräusch beiträgt, wobei das Kombinationston-Geräusch ein Geräuschfrequenzspektrum hat, von dem eine der Harmonischen eine Abschneide-Harmonische der Ordnung n ist, wobei n eine positive ganze Zahl ist, wobei die Variation einer jeden physikalischen Ungleichförmigkeit hinsichtlich der Winkelposition ein umfangsmäßiges Ungleichförmigkeitsspektrum hat, wobei die Laufschaufeln in der Nabe so verteilt sind, dass mindestens eine der Ungleichförmigkeiten eine Periodizität hinsichtlich der Winkelposition von etwa q Mal pro 360° zeigt, wobei q eine ganze Zahl ist, die für jede Ungleichförmigkeit spezifisch ist und nicht größer als n ist, so dass das Kombinationston-Geräusch abgeschwächt wird, dadurch gekennzeichnet, dass q größer oder gleich 2 ist.
Verfahren zum Minimieren von Kombinationston-Geräusch, welches durch einen beschaufelten Rotor erzeugt wird, der eine Nabe, die um eine in Längsrichtung verlaufende Zentralachse rotationsfähig ist, und eine Population von Laufschaufeln hat, die umfangsmäßig in der Nabe an diskreten Winkelpositionen verteilt sind und von der Nabe wegragen, wobei die Laufschaufeln mindestens eine umfangsmäßig variierende physikalische Ungleichförmigkeit haben, die zum Kombinationston-Geräusch beiträgt, wobei das Kombinationston-Geräusch ein Geräuschfrequenzspektrum hat, von dem eine der Harmonischen eine Abschneide-Harmonische der Ord nung n ist, wobei n eine positive ganze Zahl ist, wobei das Verfahren ferner aufweist: Quantifizieren der physikalischen Ungleichförmigkeiten; und Verteilen der Laufschaufeln in dem Rotor derart, dass mindestens eine der Ungleichförmigkeiten eine Periodizität hinsichtlich der Winkelpositionen von etwa q Mal pro 360° zeigt, wobei q eine ganze Zahl ist, die für jede Ungleichförmigkeit spezifisch ist und nicht größer als n ist, so dass das Kombinationston-Geräusch abgeschwächt ist, dadurch gekennzeichnet, dass q größer als oder gleich 2 ist.
Beschaufelter Rotor oder Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Laufschaufeln in einem Kanal zurückgesetzt sind, wobei der Rotor einen Durchmesser D und eine Rotordrehzahl N hat, bei der es erwünscht ist, Kombinationston-Geräusch abzuschwächen, wobei Luft, die in den Einlass gelangt, eine longitudinale Machzahlkomponente von M_x und eine Schallgeschwindigkeit c hat, wobei der Rotor dadurch gekennzeichnet ist, dass n die größte ganze Zahl ist, die nicht größer ist als (0,81/{[πDN/720c(1 – Mx 2)0,5] – 1})1,504 wobei D in Inch ausgedrückt ist, N in Umdrehungen pro Minute ausgedrückt ist und c in feet per second ausgedrückt ist.
Beschaufelter Rotor oder Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei jede Laufschaufel einen Anstellwinkel, eine Vorderkantenposition und einen winkelmäßigen Versatz relativ zu einer umfangsmäßig benachbarten Laufschaufel in dem Rotor hat, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Ungleichförmigkeit mindestens eine von Anstellwinkel, Laufschaufel-Vorderkanten-Longitudinalposition und Winkelversatz zwischen umfangsmäßig benachbarten Laufschaufeln ist.
Beschaufelter Rotor oder Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Ungleichförmigkeit der Anstellwinkel ist und q 2 ist.
Beschaufelter Rotor oder Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder umfangsmäßigen Harmonischen eine Amplitude zugeordnet ist und ein Gewichtungsfaktor ungleich Null jeder umfangsmäßigen Harmonischen größerer Ordnung als q zugeordnet ist, wobei das Produkt jeder Amplitude und ihres zugeordneten Gewichtungsfaktors ungleich Null eine gewichtete Amplitude ist, und wobei die Laufschaufeln in der Nabe so verteilt sind, dass die Summe der gewichteten Amplituden nicht größer ist als ein spezieller Amplitudenschwellenwert.
Beschaufelter Rotor oder Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude jeder umfangsmäßigen Harmonischen zugeordnet ist und ein Gewichtungsfaktor ungleich Null jeder umfangsmäßigen Harmonischen einer Ordnung größer als q zugeordnet ist, wobei das Produkt einer jeden Amplitude und ihres zugeordneten Gewichtungsfaktors ungleich Null eine gewichtete Amplitude ist, und wobei die Laufschaufeln in der Nabe so verteilt sind, dass die Summe der gewichteten Amplituden der Laufschaufeln, wie sie in den Naben verteilt sind, die minimale Summe gewichteter Amplituden für einen Satz für Kandidaten-Laufschaufelverteilungen ist.
Beschaufelter Rotor oder Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln in der Nabe so verteilt sind, dass mindestens ein anderer Rotorgrenzwert als die Abschwächung von Kombinationston-Geräusch erfüllt wird.
Beschaufelter Rotor oder Verfahren nach Anspruch 8, wobei der andere Rotorgrenzwert als die Abschwächung von Kombinationston-Geräusch das Auswuchten der Laufschaufeln in dem Rotor ist.
Beschaufelter Rotor oder Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ungleichförmigkeit als eine kontinuierliche Funktion von Winkelpositionen ausdrückbar ist, wobei die kontinuierliche Funktion eine oder mehrere Ableitungen hat, die nicht Null sind, und die Ableitungen nicht diskontinuierlich sind und sich nicht abrupt ändern hinsichtlich Winkelposition.
Beschaufelter Rotor oder Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Laufschaufeln in der Nabe so verteilt sind, dass die Summen der Amplituden der Harmonischen einer Ordnung nicht größer als q die Summe der Amplituden der Harmonischen einer Ordnung größer als q überschreitet.
Beschaufelter Rotor oder Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Laufschaufeln in der Nabe so verteilt sind, dass die Summe der Amplituden der Harmonischen einer Ordnung nicht größer als q mindestens drei Mal so groß ist wie die Harmonischen einer Ordnung größer als q mit der größten Amplitude.