ITTO20130400A1 - Turbina di bassa pressione provvista di sdoppiatori in corrispondenza dell'ultima schiera statorica, in particolare per un motore a turbina a gas - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“TURBINA DI BASSA PRESSIONE PROVVISTA DI SDOPPIATORI IN CORRISPONDENZA DELL'ULTIMA SCHIERA STATORICA, IN PARTICOLARE PER UN MOTORE A TURBINA A GASâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad una turbina di bassa pressione provvista di sdoppiatori in corrispondenza dell’ultima schiera statorica, in particolare per un motore a turbina a gas.

Nella turbina di bassa pressione di una turbina a gas, in particolare in un motore per applicazioni aereonautiche, le emissioni acustiche vengono ridotte, in genere, selezionando in modo opportuno il numero dei profili aerodinamici, normalmente indicato in lingua inglese come “airfoil count†.

La scelta del numero dei profili viene effettuata in modo da ottenere onde sonore di ampiezza progressivamente ridotta man mano che si propagano dentro la turbina, grazie alle interazioni acustiche tra le schiere rotoriche e statoriche, arrivando così ad ottenere livelli acustici relativamente modesti allo scarico del motore aereonautico.

Questa soluzione per il controllo del rumore ha lo svantaggio di imporre il numero di profili aerodinamici e, quindi, limitare la libertà d’azione nella progettazione per quanto riguarda l’ottimizzazione aerodinamica.

Una differente strategia per ridurre le emissioni acustiche consiste nell’introdurre dispositivi per l’attenuazione del rumore, di tipo passivo o di tipo attivo, all’interno del motore aereonautico. In particolare, i dispositivi di tipo passivo sono definiti da pannelli fonoassorbenti comprendenti risuonatori che sono opportunamente progettati per ridurre l’ampiezza delle emissioni acustiche. Nelle soluzioni note, tali pannelli sono applicati sulle superfici del cono di scarico della turbina a gas, a valle della turbina di bassa pressione, tipicamente in corrispondenza dell’anello interno del cono di scarico.

Tale soluzione ha l’inconveniente di avere una efficacia di abbattimento acustico piuttosto limitata, in quanto lo spazio disponibile per disporre i pannelli fonoassorbenti à ̈ contenuto.

È sentita l’esigenza, quindi, di trovare una soluzione diversa, che consenta di migliorare l’abbattimento del rumore all’uscita della turbina di bassa pressione.

Il documento US3802187A, che corrisponde al preambolo della rivendicazione 1, suggerisce di introdurre uno sdoppiatore o “splitter†in ciascun vano tra le pale dell’ultima schiera statorica, in modo da suddividere radialmente tale vano in un condotto interno ed in un condotto esterno. Questo documento, tuttavia, non fornisce alcuna indicazione né sulle emissioni acustiche, né su una eventuale riduzione delle medesime.

Scopo della presente invenzione à ̈ di realizzare una turbina di bassa pressione provvista di sdoppiatori in corrispondenza dell’ultima schiera statorica, in particolare per un motore a turbina a gas, la quale consenta di assolvere in maniera semplice ed economica all’esigenza sopra esposta.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una sezione meridiana schematica e parziale di una preferita forma di attuazione della turbina di bassa pressione per un motore a turbina a gas secondo la presente invenzione; e

- la figura 2 Ã ̈ una sezione trasversale schematica, in scala ingrandita, secondo la linea di sezione II-II della figura 1.

Con riferimento alla figura 1, il numero di riferimento 1 indica, nel suo complesso, una turbina di bassa pressione (illustrata parzialmente ed in modo semplificato) facente parte di un motore a turbina a gas, in particolare un motore aeronautico.

La turbina 1 ha una simmetria assiale rispetto ad un asse 3 coincidente con l’asse del motore e definisce un condotto anulare 6 per un flusso di gas. Il condotto anulare 6 à ̈ delimitato radialmente, verso l’esterno, da piattaforme 7 e, verso l’interno, da piattaforme 8, aventi la funzione di guidare il flusso di gas, ed à ̈ tipicamente divergente in funzione della progressiva espansione dei gas.

La turbina 1 comprende un involucro o carcassa 9, la quale alloggia una pluralità di schiere statoriche di pale 10 ed una pluralità di schiere rotoriche di pale 11. Le schiere rotoriche 11 sono alternate assialmente alle schiere statoriche 10 e sono fissate ad un albero motore (non illustrato) che si estende lungo l’asse 3.

L’ultima delle schiere statoriche, considerando la direzione di avanzamento del flusso di gas, à ̈ indicata dal numero di riferimento 10a ed à ̈ disposta in una sezione posteriore 15 del condotto anulare 6, a monte di un cono di scarico non illustrato. La sezione posteriore 15 à ̈ delimitata radialmente, verso l’esterno, da una piattaforma 7a e, verso l’interno, da una piattaforma 8a, che costituiscono parte di una struttura posteriore fissa 20 della turbina 1.

Le pale della schiera statorica 10a sono indicate dal numero di riferimento 25 e si estendono a partire dalla piattaforma 8a fino alla piattaforma 7a.

Secondo una prima forma di realizzazione, le pale 25 svolgono essenzialmente una funzione strutturale di supporto, per cui sono essenzialmente definite da razze radiali aventi preferibilmente una forma allungata in direzione parallela all’asse 3. In questo caso, la piattaforma 8a à ̈ collegata in modo non illustrato ad un cuscinetto che supporta l’albero motore, e la struttura 20 definisce quello che comunemente viene indicato come telaio posteriore della turbina.

In una seconda forma di realizzazione non illustrata, le pale 25 svolgono principalmente una funzione aerodinamica, ossia hanno una forma tale da soddisfare principalmente requisiti di efficienza aerodinamica per la guida del flusso di gas. In questo caso, in genere, la piattaforma 8a non svolge funzione di supporto, ma à ̈ collegata solamente alla piattaforma 7a tramite le pale 25, le quali vengono comunemente indicate con il termine inglese “outlet guide vanes†.

Con riferimento alla figura 2, le pale 25 sono distanziate l’una dall’altra attorno all’asse 3 in modo da definire tra loro in direzione circonferenziale una pluralità di canali o vani 26, delimitati da una superficie 27 in corrispondenza della piattaforma 7a e da una superficie 28 in corrispondenza della piattaforma 8a. In direzione circonferenziale, ciascun vano 26 à ̈ delimitato da due superfici laterali 30,31, definenti il lato in pressione e il lato in depressione di due pale 25 che sono consecutive ed affacciate l’una all’altra.

Secondo un aspetto della presente invenzione, ciascun vano 26 à ̈ suddiviso in direzione radiale da un relativo sdoppiatore o “splitter†32 in un condotto 26a radialmente esterno ed in un condotto 26b radialmente interno. Ciascuno splitter 32 ha una superficie 34 radialmente esterna, affacciata alla superficie 27, ed una superficie 35 radialmente interna, affacciata alla superficie 28.

Preferibilmente, le superfici 34 e 35 comprendono rispettive zone 34a e 35a, che sono definite da dispositivi passivi di attenuazione del rumore comprendenti pannelli fonoassorbenti 37.

I pannelli 37 comprendono, ciascuno, una pluralità di risuonatori opportunamente calibrati per ridurre l’ampiezza delle emissioni acustiche in corrispondenza di determinati intervalli di frequenza. I pannelli 37 possono essere quindi adeguatamente progettati in base alle condizione operative ed alle emissioni acustiche specifiche della turbina 1. Preferibilmente, i pannelli 37 ricoprono entrambe le superfici 34,35 dello splitter 32, che sono esposte al flusso dei gas. Una valutazione acustica sulla tipologia di rivestimento e sulla lunghezza di quest’ultimo consente di fare una scelta oculata e quindi di ridurre sensibilmente le emissioni acustiche.

Da quanto appena esposto e dalle figure allegate deriva che ciascuno splitter 32 comprende un corpo 39 in materiale metallico definente un bordo di attacco 41 ed un bordo di uscita 42 (fig. 1) ed avente una coppia di sedi 43, le quali sono realizzate rispettivamente lungo le superfici 34 e 35 ed ospitano i pannelli 37. I pannelli 37 hanno spessore tale da impegnare le sedi 43 senza generare scalini e/o discontinuità lungo le superfici 34 e 35.

Indipendente dalla presenza o meno dei pannelli 37, la suddivisione in due parti della sezione posteriore 15 del condotto anulare 6 può influire in modo vantaggioso sulla riduzione della propagazione delle onde acustiche.

Infatti, una valutazione acustica sulla posizione radiale degli splitter 32 permette di fare una scelta oculata di tale posizione e, quindi, di provocare una riduzione del rumore. In particolare, il fronte d’onda proveniente dallo stadio che precede la schiera 10a si scompone in due parti in corrispondenza del bordo d’attacco 41: si assiste quindi ad un fenomeno indicato come “dispersione acustica†o, in lingua inglese, “acoustic scattering†.

Oltre ad un effetto di dispersione circonferenziale dovuto alla presenza delle pale 25 nella sezione 15 del condotto anulare 6, la presenza dello splitter induce una dispersione radiale che definisce una ridistribuzione dell’energia acustica. In particolare, l’andamento della pressione lungo il raggio del condotto può essere descritta tramite un insieme di forme d’onda radiali, denominate anche ordini acustici radiali, ciascuno dei quali à ̈ associato ad una relativa frazione dell’energia acustica: a causa della variazione di condizioni al contorno dovuta allo splitter, nelle due porzioni di condotto 26a e 26b cambiano le frazioni di energia acustica associate alle varie forme d’onda radiali.

Pertanto, le onde acustiche si propagano nei due condotti 26a,26b con distribuzioni energetiche differenti e con velocità di propagazione differenti rispetto alle condizioni nel condotto 6 prima della sezione 15, per poi ricombinarsi in corrispondenza del bordo di uscita 42, dove avviene una nuova redistribuzione dell’energia acustica.

In funzione della scelta del raggio dello splitter 32, le redistribuzioni dell’energia acustica che avvengono in corrispondenza dell’inizio e della fine dello splitter 32 possono provocare un abbattimento dell’ampiezza complessiva delle onde acustiche all’uscita dallo splitter 32. La scelta della posizione radiale ottimale per lo splitter viene individuata tramite analisi numeriche di propagazione delle onde, per prevedere il comportamento di “scattering†migliore.

In base alle teorie della propagazione del suono nei condotti anulari, il campo di pressione acustica all’interno di un condotto può essere espresso come sovrapposizione di diverse componenti d’onda, dette modi acustici, definiti ciascuno da un corrispondente ordine circonferenziale ed un corrispondente ordine radiale. Innanzi tutto, si seleziona un ordine circonferenziale relativo alla componente d’onda di cui si intende ridurre l’ampiezza (normalmente la componente d’onda da trattare à ̈ quella più alta, e dipenderà di volta in volta dalla turbina considerata, sulla base delle frequenze acustiche e delle condizioni di flusso). Una buona posizione di riferimento o di partenza per l’analisi numerica à ̈ la posizione limite a partire dalla quale almeno uno dei modi acustici, dell’ordine circonferenziale selezionato, à ̈ di tipo “cut-on†nel condotto 26b. Il termine inglese “cut-on†indica una condizione tale per cui un modo acustico di ordine circonferenziale m e radiale n mantiene inalterata la propria ampiezza durante la propagazione.

Infatti, si à ̈ riscontrato che la posizione radiale ottimale dello splitter (cioà ̈ quella per cui la scomposizione e successiva ricombinazione delle onde acustiche a cavallo dello splitter stesso porta ad una riduzione di rumore significativa) giace in un intorno della posizione di riferimento sopra indicata.

Le teorie della propagazione del suono nei condotti anulari consentono di individuare una relazione matematica che corrisponde alla condizione di “cut-on†. Con riferimento ad una sorgente armonica di rumore di frequenza ω, il campo di pressione armonica derivante rispetta l’equazione di Helmholtz, che ha come soluzione:

∞ ∞

p<(>r,x,Î ̧ ,t<)>= ∑ Am,np i<ω>t

mne

m= −∞ ∑ n = 1

dove:

-

 J ' k mn

ra <−ik>m

<p Î ̧>n<(r>,<x>,Î ̧<)>= n

ï£ ̄<J>( m ) −m<( ) n x x>

m<k>r<r>'nYm(kr<m>r )

 Ym(km

r a) e<im>



- m e n sono gli ordini circonferenziali e radiali dei modi acustici;

- (r,x,Î ̧) à ̈ una terna di riferimento cilindrica con l’asse x che giace sull’asse della turbina (asse 3); - krsono i numeri d’onda radiali;

- Am,nsono le ampiezze dei modi acustici;

- a e b sono rispettivamente i raggi all’estremità radiale esterna (denominata generalmente “tip†) e all’estremità radiale interna (denominata generalmente “hub†) del condotto;

- Jme Ymsono funzioni di Bessel del primo e secondo tipo di ordine m.

Imponendo le condizioni al contorno definite, per il caso più semplice, da una parete rigida (cioà ̈ senza rivestimenti o trattamenti acustici), i numeri d’onda radiali soddisfano la seguente equazione:

J<'>(k<mn>a )Y<'>(k<mn>b )−J<'>(k<mn>b )Y<'>(k<mn>m r m r m r m ra ) = 0

Nel contempo, le forme radiali risultanti sono ortonormali, e i numeri d’onda assiali kxsono definiti nella maniera seguente:

−kM ± k2−(1 −M2 ) k mn<2>

kmn

x = r

1 − M 2

dove:

- k à ̈ il numero d’onda del modo acustico analizzato; - M à ̈ il numero di Mach all’interno del condotto.

Quando un modo acustico di ordine circonferenziale m e radiale n à ̈ di tipo “cut-on†, il numero d’onda assiale kxà ̈ un numero reale. Questo equivale a dire che l’espressione sotto radice quadrata dell’ultima relazione deve essere maggiore o uguale a zero, ossia:

k<2>– (1-M<2>) (kr<mn>)<2>≥ 0

Pertanto:

kr<mn 2>≤ k<2>/(1-M<2>)

Per un’onda sonora non dispersiva (ossia di tipo “cuton†), il numero d’onda k à ̈ una costante pari al rapporto tra frequenza ω e la velocità di propagazione del suono.

Pertanto, l’ultima disequazione indica un valore di estremità o valore limite dell’intervallo in cui deve cadere il numero d’onda radiale affinché il modo acustico sia di tipo “cut-on†.

Questo valore di estremità viene quindi inserito nell’equazione scritta più sopra, derivata imponendo le condizioni al contorno: in tale equazione, l’unica incognita risulta essere il raggio a, oppure il raggio b.

Infatti, considerando il condotto 26b, il raggio b à ̈ definito dal raggio della superficie 28, per cui à ̈ possibile calcolare il valore del raggio a, ossia il raggio della superficie 35 (che corrisponde sostanzialmente alla posizione radiale dello splitter 32), a partire dal quale si ottiene la condizione cut-on nel condotto 26b.

In modo analogo, considerando il condotto 26a, il raggio a à ̈ definito dal raggio della superficie 27, per cui à ̈ possibile calcolare il valore per il raggio b, ossia il raggio della superficie 34 (che corrisponde sostanzialmente alla posizione radiale dello splitter 32), a partire dal quale si ottiene la condizione cut-on nel condotto 26a.

In pratica, si rileva che il valore del raggio a individuato per il condotto 26b à ̈ quello più critico (dal momento che un condotto anulare radialmente più esterno ha un comportamento acustico più vicino alla condizione di “cut-on†rispetto ad un condotto anulare radialmente più interno). Pertanto, à ̈ sufficiente determinare la posizione di riferimento dello splitter solamente considerando il condotto 26b.

Pertanto, dalla teoria della propagazione del suono nei condotti anulari deriva una posizione di riferimento, ossia il raggio a, nell’intorno del quale à ̈ necessario disporre lo splitter 32 per ottenere la condizione di riduzione acustica ottimale. La posizione radiale ottimale à ̈ quella che garantisce una redistribuzione dell’energia acustica su ordini radiali che sono più elevati rispetto a quelli in cui era localizzata prima che il fronte d’onda incontrasse lo splitter, e che sono di tipo “cut-off†, ossia facilmente attenuabili nel condotto 26b.

Per determinare la posizione radiale ottimale nell’intorno della posizione di riferimento trovata, à ̈ possibile eseguire una simulazione numerica parametrica tramite un opportuno software per lo studio della propagazione acustica dentro i condotti.

In particolare, come intorno della posizione di riferimento viene definito un intervallo pari a ±10% del raggio della superficie 27, ossia del raggio esterno del condotto 26a.

Tale intervallo viene suddiviso in modo discreto in modo da avere un insieme di posizioni radiali da analizzare. In altre parole, vengono assegnate a progetto allo splitter 32 varie posizioni di tentativo, e si verifica, tramite la simulazione numerica, quale à ̈ l’abbattimento del rumore previsto per ciascuna di tali posizioni di tentativo, grazie al fenomeno di “scattering†sopra indicato.

Confrontando i risultati delle varie simulazioni effettuate, si individua la posizione radiale che garantisce il maggior abbattimento di rumore.

Nello stesso modo, à ̈ possibile determinare quale dovrebbe essere la lunghezza assiale ottimale dello splitter 32. Infatti, anche tale lunghezza ha una influenza sulla riduzione del rumore, dal momento che l’energia acustica “scatterata†verso modi acustici di ordine più elevato di tipo “cut-off†decade in maniera esponenziale con la lunghezza dello splitter stesso.

In particolare, per ciascuna delle posizioni di tentativo assegnate allo splitter 32 nelle simulazioni, si assegna anche una serie di valori di tentativo alla lunghezza assiale, in modo da determinarne l’effetto per quanto riguarda l’abbattimento del rumore, ma in modo da contenere, nel contempo, il peso dello splitter 32.

Il procedimento di simulazione può poi procedere per approssimazioni successive, in modo da avvicinarsi il più possibile ai valori ottimali per la posizione radiale e per la lunghezza assiale dello splitter 32.

L’adozione degli splitter 32, pertanto, può ridurre in maniera significativa l’ampiezza delle onde acustiche generate all’uscita dalla turbina 1, senza limitare la libertà d’azione nel scegliere il numero di pale per ottimizzare l’efficienza aerodinamica della turbina.

In altre parole, grazie agli splitter 32 à ̈ possibile svincolare, almeno in parte, la progettazione delle schiere rotoriche e statoriche della turbina 1 da considerazioni di natura acustica rispetto alle tecniche note di progettazione basate sulla selezione del cosiddetto “airfoil count†.

Anche se gli splitter 32 potenzialmente penalizzano l’efficienza aerodinamica nella sezione posteriore 15 del condotto anulare 6 e provocano un aumento localizzato di peso, questi inconvenienti sono comunque accettabili complessivamente, in quanto consentono di aumentare l’efficienza della turbina 1, oppure consentono di ottenere la medesima efficienza delle turbine note con una riduzione complessiva di peso, visto che c’à ̈ maggiore libertà nella progettazione delle schiere a monte della sezione 15.

Come esposto sopra, inoltre, le superfici 34,35 possono essere quasi completamente rivestite di materiale che abbatta le emissioni acustiche dei gas all’uscita della turbina 1 prima del cono di scarico. Pertanto, il rivestimento con i pannelli 37 consente di aumentare l’abbattimento del rumore rispetto alle soluzioni note.

Da quanto precede appare evidente come alla turbina 1 possano essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo come definito dalle rivendicazioni allegate.

In particolare, la posizione radiale degli splitter 32 potrebbe essere leggermente diversa tra ciascun vano 26 e quelli adiacenti.

Claims (1)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1.- Turbina di bassa pressione, in particolare per un motore a turbina a gas, la turbina estendendosi lungo un asse (3), avendo un condotto anulare (6) per guidare un flusso di gas e comprendendo una pluralità di schiere statoriche di pale ed una pluralità di schiere rotoriche di pale; l’ultima delle dette schiere statoriche, considerando la direzione di avanzamento del flusso di gas, comprendendo una pluralità di pale (25), le quali definiscono tra loro in direzione circonferenziale una pluralità di vani (26); i detti vani (26) essendo suddivisi da rispettivi sdoppiatori (32) in un condotto radialmente esterno (26a) ed in un condotto radialmente interno (26b); caratterizzata dal fatto che la posizione radiale di ciascun detto sdoppiatore (32) à ̈ nell’intorno di una posizione radiale di riferimento che corrisponde ad una condizione in cui almeno un modo acustico à ̈ di tipo “cuton†nel detto condotto radialmente interno (26b), per un dato ordine circonferenziale di detti modi acustici. 2.- Turbina secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto intorno à ̈ definito come un intervallo pari a ±10% del raggio esterno del detto condotto radialmente esterno (26a). 3.- Turbina secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che ciascun detto sdoppiatore (32) à ̈ delimitato, radialmente, da una superficie esterna (34) e da una superficie interna (35); le dette superfici esterna ed interna (34,35) comprendendo rispettive zone (34a,35a) definite da pannelli fonoassorbenti (37). 4.- Metodo per ottimizzare la posizione radiale di uno sdoppiatore in una turbina realizzata secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: - esprimere il campo di pressione acustica nel detto condotto anulare (6) sotto forma di modi acustici definiti, ciascuno, da un ordine circonferenziale ed un ordine radiale; - selezionare uno di detti ordini circonferenziali; - calcolare una posizione radiale di riferimento corrispondente ad una condizione in cui, per l’ordine circonferenziale selezionato, almeno uno dei relativi modi acustici à ̈ di tipo “cut-on†nel condotto radialmente interno (26b); - posizionare il detto sdoppiatore (32) nell’intorno della detta posizione radiale di riferimento. 5.- Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il posizionamento del detto sdoppiatore (32) comprende le fasi di: - assegnare, alla posizione radiale del detto sdoppiatore (32), diversi valori di tentativo nell’intorno della posizione radiale di riferimento; - determinare la posizione radiale ottimale dello sdoppiatore (32) calcolando, tramite simulazioni numeriche, l’abbattimento di rumore previsto per ciascuno dei detti valori di tentativo, confrontando i risultati di dette simulazioni, e selezionando il valore di tentativo che permette di ottenere il massimo abbattimento di rumore.