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A Review of an Empirical Turbine 
Noise Prediction Method
Noise Prediction Method
                              Kyle Grose
                                AAE 615
Objective
 Investigate the physics behind the empirical turbine 
 noise prediction method presented by Bruce Morin 
 and Oliver Atassi at the 2008 AARC Turbine Noise 
 Workshop
 Compare against the popular G.E. empirical turbine 
 Compare against the popular G E  empirical turbine 
 prediction
 Investigate how the Morin‐Atassi Prediction Model 
        g
 compares against measured data.
Why is Turbine Noise Important?
 As noise reduction technology has progressed, once dominant noise 
 sources that used to mask lesser noise sources have become 
 suppressed.
    Lesser noise sources, such as the turbine, are now significant 
    contributors to community noise especially in the approach 
    condition




            Typical Engine Noise Component Distribution
                                                     Figure from Mathews Combustion
                         Approach Condition          And Turbine Noise Work at Pratt &Whitney
                                                                  Presented at Core Noise Workshop in Phoenix, AZ
                                                                  February 2003
Turbine Noise Generation Mechanisms
 There are two types of generation mechanisms for turbine noise: 
 potential field interactions and blade‐wake interactions




                                                    Figure from Morin and Atassi An Empirical Model
                                                    For Turbine Noise Prediction presented at 
                                                    AARC Turbine Noise Workshop in Vancouver, BC
                                                    May 2008
Potential Field Interactions
 Potential Field Interactions
    Solid bodies in free stream flow create potential fields
    Potential fields can travel and interact with other objects or other flow 
                                                           j
    phenomena
    Flow passing by a stator will cause a potential field that can travel upstream 
    and impinge upon the upstream rotor row causing pressure fluctuations 
    therefore generating noise
    th f              ti   i
    Potential field tends to decay rapidly and because of blade spacing in 
    turbine stages the potential fields cause weak excitations


 Blade‐wake Interactions are often seen as the dominant noise 
 generation mechanism of turbine noise
Blade‐wake Interactions
 Blade‐wake interactions occur when viscous wakes are shed off of 
 either rotor blades or stator vanes and interact with either stator or 
 rotor blades next to it.
    The wakes impinging on the blade cause unsteady lift forces on the blade 
    Th   k  i i i    th  bl d                 t d  lift f         th  bl d  
    which generates noise




    Viscous wakes do not decay as fast as a potential field. Viscous wakes are 
    the dominant noise source.
    the dominant noise source
                                                            Figure from M.J.T. Smith  Aircraft Noise, 
                                                            Cambridge University Press, New York, 1989
M i At i M d l
Morin‐Atassi Model
OAPWL Due to Airfoil Row
  Morin‐Atassi model assumes turbine noise is 
  dominated by blade wakes
  For a single row of airfoils the sound power produced is 
  F    i l          f  i f il   h      d        d d i  
  dependent on the following:

        Sound Power


                                                                Upwash
 Annulus Area                                               Pressure Loss Factor
 Temperature
                                                            Spacing/Chord Ratio
    Pressure
                                                            Duct Mach Number

                      p, q, and r are empirical constants
M i A      iM d l
Morin‐Atassi Model
Where do the Parameters Come From
  Even though this is an empirical model there needs to 
  be rationale behind the parameters chosen

  Curle’s Equation




  Pressure is dependent upon the force
  What is the force due to a viscous wake on a blade?
Unsteady Forces on a Blade Due to
Unsteady Forces on a Blade Due to 
Viscous Wake
 Kemp and Sears wrote a paper “Unsteady Forces Due 
 to Viscous Wakes in Turbomachinery” (1955)

 Described the upwash on a blade due to a viscous wake 
 as dependent upon drag coefficient (CD) and 
 spacing/chord ratio (s/b) in an incompressible flow
          h d        ( b)                   bl fl

 Lift is dependent upon the upwash
           p        p        p

 Therefore unsteady force dependent upon CD and 
 (s/b)
 ( b)
U     d F            Bl d
Unsteady Forces on a Blade
Kemp and Sear Upwash Equation & Lift Equation

Upwash is Dependent upon 
CD and (s/b)
       ( / )

Upwash




   Lift



             Lift is Dependent upon CD and (s/b)
M i A      i
Morin‐Atassi 
Kemp and Sears Contribution
  Simplified CD = Pressure Loss Coefficient (ξ)




          W = P*A          Where Do These
     (assuming free‐field)  Come From?
                                            Kemp‐Sear’s Lift Model
U     d F            Bl d
Unsteady Forces on a Blade
Osborne Compressible Model
  Osborne wrote a paper “Compressible Unsteady 
  Interactions Between Blade Rows” (1972)
    Compressibility is Important.  There is significant 
    C        ibili  i  I             Th  i   i ifi      
    impact on lift fluctuations by varying Mach number
  Lift Model for Compressible Flow
                                         Upwash from Sears‐Kemp




                                       V = Mc
                      p = ρRT
                                       c = sqrt(γRT )
  Lift dependent upon T1/2, p, M, (s/b), and ξ
M i At i M d l
Morin‐Atassi Model
OAPWL for Turbine Stage
  OAPWL before described for a single airfoil, the 
  OAPWL for a turbine stage is the following:

                                       Upstream Vane Wake/Blade
                                       Interaction




                                      Blade Wake/Downstream Vane
                                      Interaction
OAPWL f T bi S
OAPWL for Turbine Stage
Additional Terms
  Along with the superposition of blade‐wake interactions, there is also 
  the inclusion of K,C, and τ

  K – Modal Cut‐On/Cut‐Off Parameter
  K  Modal Cut On/Cut Off Parameter
     Not all modes creating from interaction couple with duct mode
     If mode is “cut‐on” K = 1, if “cut‐off” K=0.

  τ – Transmission Loss Coefficient
      Modes propagating downstream will interact with other blade row
       Energy may get scattered
     Transmission coefficient is the portion of the initial energy generated 
     T       i i   ffi i t i  th   ti   f th  i iti l                    t d 
     by the blade‐wake interaction that makes it to the farfield

  C – Additional Empirical Coefficient
                   p
OAPWL
      Discrete Frequency and “Haystack” Components
             OAPWL represents both the discrete frequency and 
             broadband level
             Two components to turbine noise
             T                   bi   i
                    Discrete Frequency (turbine tones)
                    Broadband (Haystacks)




Figure from Mathews Combustion
And Turbine Noise Work at Pratt & Whitney
Presented at Core Noise Workshop in Phoenix, AZ
February 2003
Turbine Tones and Haystack Generation
              Turbine Tones
                     Turbine tones occur because of the periodic 
                     interaction of the rotating rotor blades with 
                     the stator vanes
                      h         


                                                                                Fig. 1
                                                                                Fi  
              Haystacks
                     Haystacks occur external to the turbine
                     As the tone propagates out the exhaust, it 
                                 p p g                       ,
                     moves through the fan/ambient shear layer
                     Turbulence in this layer causes the tone to 
                     modulate and spectrally spread out.
                           “Haystacks” are generated                               Fig. 2
                                                                      Figure 2 from Mathews Combustion
                                                                      And Turbine Noise Work at Pratt & Whitney
Figure 1 from M.J.T. Smith  Aircraft Noise,                           Presented at Core Noise Workshop in Phoenix, AZ
Cambridge University Press, New York, 1989                            February 2003
OAPWL
      Tonal and Haystack Level
             Tonal level is found by directly applying the OAPWL model
             Because of complexity of the tonal modulation, an 
             envelope was empirically derived to describe the haystack 
             spectral shape.
                    Measured data was analyzed and a mean curve was created for 
                    the Haystack envelope 




Figure from Morin and Atassi An Empirical Model
For Turbine Noise Prediction presented at 
AARC Turbine Noise Workshop in Vancouver, BC
May 2008
G.E. Empirical Model
 Kazin and Matta formulated an empirical model for 
 turbine prediction in the 1970’s.  It is still popular and 
 found in many papers.
 found in many papers



 SPL prediction for both tonal and broadband levels
 Have another equation for the peak SPL level (tonal 
 component)
   Subtract the peak SPL from the OASPL to find 
                p
   broadband level
Morin‐Atassi vs. Kazin‐Matta
 Morin‐Atassi

                                        X        X
 Kazin‐Matta

                                                   X
                        ΔT / T = 1 − (1 / ξ )^ (γ − 1/γ )

 Kazin Matta
 Kazin‐Matta recognized significance in blade spacing but did not include it in 
 their model
 Kazin‐Matta rely on the relative blade velocity as opposed the duct Mach 
 number in the Morin‐Atassi model
 Even though they both attempt to predict the same thing, there are major 
 Even though they both attempt to predict the same thing  there are major 
 differences between the two
M i A      i
      Morin‐Atassi
      Prediction vs. Measured
             Used Pratt & Whitney measured data to obtain 
             empirical constants and “haystack” spectral shapes
             Inferred transmission loss coefficients for the various 
             I f    d        i i  l   ffi i          f   h   i  
             turbine stages
             Obtained good 
             correlation between 
             the measured and 
             predicted results


Figure from Morin and Atassi An Empirical Model
For Turbine Noise Prediction presented at 
AARC Turbine Noise Workshop in Vancouver, BC
May 2008
Comparison of Different Empirical
       Comparison of Different Empirical 
       Methods
              In 1975, Mathews and Nagel conducted a review of turbine 
              noise prediction methods used at NASA, G.E., Pratt & 
              Whitney and Rolls‐Royce
              Discovered that the prediction for a single engine varied 
                        d h h        d       f         l              d
              widely across the groups involved in the review
              Though the Morin‐Atassi
                   g
              method might correlate 
              well with P&W data, it 
              might not work as well 
              when predicting turbine 
              noise for a different engine

Figure from Mathews, et al  “Review of Theory
and Methods for Turbine Noise Prediction,”
AIAA Paper No. 75‐540, 1975
Conclusions
 Morin‐Atassi method appears to have strong ties to 
 blade‐wake interaction theory
 Before a definitive conclusion can be made on the 
 B f    d fi i i         l i    b   d     h  
 accuracy of the model, the model needs to be 
 validated against a variety of engines.
 validated against a variety of engines
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Review of an Empirical Turbine Noise Prediction Method

  • 2. Objective Investigate the physics behind the empirical turbine  noise prediction method presented by Bruce Morin  and Oliver Atassi at the 2008 AARC Turbine Noise  Workshop Compare against the popular G.E. empirical turbine  Compare against the popular G E  empirical turbine  prediction Investigate how the Morin‐Atassi Prediction Model  g compares against measured data.
  • 3. Why is Turbine Noise Important? As noise reduction technology has progressed, once dominant noise  sources that used to mask lesser noise sources have become  suppressed. Lesser noise sources, such as the turbine, are now significant  contributors to community noise especially in the approach  condition Typical Engine Noise Component Distribution Figure from Mathews Combustion Approach Condition And Turbine Noise Work at Pratt &Whitney Presented at Core Noise Workshop in Phoenix, AZ February 2003
  • 4. Turbine Noise Generation Mechanisms There are two types of generation mechanisms for turbine noise:  potential field interactions and blade‐wake interactions Figure from Morin and Atassi An Empirical Model For Turbine Noise Prediction presented at  AARC Turbine Noise Workshop in Vancouver, BC May 2008
  • 5. Potential Field Interactions Potential Field Interactions Solid bodies in free stream flow create potential fields Potential fields can travel and interact with other objects or other flow  j phenomena Flow passing by a stator will cause a potential field that can travel upstream  and impinge upon the upstream rotor row causing pressure fluctuations  therefore generating noise th f   ti   i Potential field tends to decay rapidly and because of blade spacing in  turbine stages the potential fields cause weak excitations Blade‐wake Interactions are often seen as the dominant noise  generation mechanism of turbine noise
  • 6. Blade‐wake Interactions Blade‐wake interactions occur when viscous wakes are shed off of  either rotor blades or stator vanes and interact with either stator or  rotor blades next to it. The wakes impinging on the blade cause unsteady lift forces on the blade  Th   k  i i i    th  bl d     t d  lift f    th  bl d   which generates noise Viscous wakes do not decay as fast as a potential field. Viscous wakes are  the dominant noise source. the dominant noise source Figure from M.J.T. Smith  Aircraft Noise,  Cambridge University Press, New York, 1989
  • 7. M i At i M d l Morin‐Atassi Model OAPWL Due to Airfoil Row Morin‐Atassi model assumes turbine noise is  dominated by blade wakes For a single row of airfoils the sound power produced is  F    i l     f  i f il   h   d    d d i   dependent on the following: Sound Power Upwash Annulus Area Pressure Loss Factor Temperature Spacing/Chord Ratio Pressure Duct Mach Number p, q, and r are empirical constants
  • 8. M i A iM d l Morin‐Atassi Model Where do the Parameters Come From Even though this is an empirical model there needs to  be rationale behind the parameters chosen Curle’s Equation Pressure is dependent upon the force What is the force due to a viscous wake on a blade?
  • 9. Unsteady Forces on a Blade Due to Unsteady Forces on a Blade Due to  Viscous Wake Kemp and Sears wrote a paper “Unsteady Forces Due  to Viscous Wakes in Turbomachinery” (1955) Described the upwash on a blade due to a viscous wake  as dependent upon drag coefficient (CD) and  spacing/chord ratio (s/b) in an incompressible flow h d ( b) bl fl Lift is dependent upon the upwash p p p Therefore unsteady force dependent upon CD and  (s/b) ( b)
  • 10. U d F Bl d Unsteady Forces on a Blade Kemp and Sear Upwash Equation & Lift Equation Upwash is Dependent upon  CD and (s/b) ( / ) Upwash Lift Lift is Dependent upon CD and (s/b)
  • 11. M i A i Morin‐Atassi  Kemp and Sears Contribution Simplified CD = Pressure Loss Coefficient (ξ) W = P*A Where Do These (assuming free‐field) Come From? Kemp‐Sear’s Lift Model
  • 12. U d F Bl d Unsteady Forces on a Blade Osborne Compressible Model Osborne wrote a paper “Compressible Unsteady  Interactions Between Blade Rows” (1972) Compressibility is Important.  There is significant  C ibili  i  I   Th  i   i ifi   impact on lift fluctuations by varying Mach number Lift Model for Compressible Flow Upwash from Sears‐Kemp V = Mc p = ρRT c = sqrt(γRT ) Lift dependent upon T1/2, p, M, (s/b), and ξ
  • 13. M i At i M d l Morin‐Atassi Model OAPWL for Turbine Stage OAPWL before described for a single airfoil, the  OAPWL for a turbine stage is the following: Upstream Vane Wake/Blade Interaction Blade Wake/Downstream Vane Interaction
  • 14. OAPWL f T bi S OAPWL for Turbine Stage Additional Terms Along with the superposition of blade‐wake interactions, there is also  the inclusion of K,C, and τ K – Modal Cut‐On/Cut‐Off Parameter K  Modal Cut On/Cut Off Parameter Not all modes creating from interaction couple with duct mode If mode is “cut‐on” K = 1, if “cut‐off” K=0. τ – Transmission Loss Coefficient Modes propagating downstream will interact with other blade row Energy may get scattered Transmission coefficient is the portion of the initial energy generated  T i i   ffi i t i  th   ti   f th  i iti l    t d  by the blade‐wake interaction that makes it to the farfield C – Additional Empirical Coefficient p
  • 15. OAPWL Discrete Frequency and “Haystack” Components OAPWL represents both the discrete frequency and  broadband level Two components to turbine noise T       bi   i Discrete Frequency (turbine tones) Broadband (Haystacks) Figure from Mathews Combustion And Turbine Noise Work at Pratt & Whitney Presented at Core Noise Workshop in Phoenix, AZ February 2003
  • 16. Turbine Tones and Haystack Generation Turbine Tones Turbine tones occur because of the periodic  interaction of the rotating rotor blades with  the stator vanes h     Fig. 1 Fi   Haystacks Haystacks occur external to the turbine As the tone propagates out the exhaust, it  p p g , moves through the fan/ambient shear layer Turbulence in this layer causes the tone to  modulate and spectrally spread out. “Haystacks” are generated Fig. 2 Figure 2 from Mathews Combustion And Turbine Noise Work at Pratt & Whitney Figure 1 from M.J.T. Smith  Aircraft Noise,  Presented at Core Noise Workshop in Phoenix, AZ Cambridge University Press, New York, 1989 February 2003
  • 17. OAPWL Tonal and Haystack Level Tonal level is found by directly applying the OAPWL model Because of complexity of the tonal modulation, an  envelope was empirically derived to describe the haystack  spectral shape. Measured data was analyzed and a mean curve was created for  the Haystack envelope  Figure from Morin and Atassi An Empirical Model For Turbine Noise Prediction presented at  AARC Turbine Noise Workshop in Vancouver, BC May 2008
  • 18. G.E. Empirical Model Kazin and Matta formulated an empirical model for  turbine prediction in the 1970’s.  It is still popular and  found in many papers. found in many papers SPL prediction for both tonal and broadband levels Have another equation for the peak SPL level (tonal  component) Subtract the peak SPL from the OASPL to find  p broadband level
  • 19. Morin‐Atassi vs. Kazin‐Matta Morin‐Atassi X X Kazin‐Matta X ΔT / T = 1 − (1 / ξ )^ (γ − 1/γ ) Kazin Matta Kazin‐Matta recognized significance in blade spacing but did not include it in  their model Kazin‐Matta rely on the relative blade velocity as opposed the duct Mach  number in the Morin‐Atassi model Even though they both attempt to predict the same thing, there are major  Even though they both attempt to predict the same thing  there are major  differences between the two
  • 20. M i A i Morin‐Atassi Prediction vs. Measured Used Pratt & Whitney measured data to obtain  empirical constants and “haystack” spectral shapes Inferred transmission loss coefficients for the various  I f d  i i  l   ffi i  f   h   i   turbine stages Obtained good  correlation between  the measured and  predicted results Figure from Morin and Atassi An Empirical Model For Turbine Noise Prediction presented at  AARC Turbine Noise Workshop in Vancouver, BC May 2008
  • 21. Comparison of Different Empirical Comparison of Different Empirical  Methods In 1975, Mathews and Nagel conducted a review of turbine  noise prediction methods used at NASA, G.E., Pratt &  Whitney and Rolls‐Royce Discovered that the prediction for a single engine varied  d h h d f l d widely across the groups involved in the review Though the Morin‐Atassi g method might correlate  well with P&W data, it  might not work as well  when predicting turbine  noise for a different engine Figure from Mathews, et al  “Review of Theory and Methods for Turbine Noise Prediction,” AIAA Paper No. 75‐540, 1975
  • 22. Conclusions Morin‐Atassi method appears to have strong ties to  blade‐wake interaction theory Before a definitive conclusion can be made on the  B f    d fi i i   l i    b   d     h   accuracy of the model, the model needs to be  validated against a variety of engines. validated against a variety of engines