¿Por qué un motor a reacción adquiere un gemido metálico cuando está a plena potencia? [duplicar]

Tuve un vuelo ayer en un AA Embraer ERJ-190. Mientras el avión permanecía en ralentí al final de la pista, se oía el familiar silbido agudo del avión, que aumentó de tono a medida que el motor comenzaba a girar. Pero, cuando alcanzó su máxima potencia, al silbido se unió un zumbido metálico mucho más bajo, que persistió hasta que el piloto aceleró después de la empinada subida inicial.

He escuchado esto antes en algunos aviones (¿pero no en todos?). De oído, el silbido estaba aproximadamente cuatro octavas y media por encima del gemido, que es aproximadamente un factor de 24 (pude haber estado equivocado por una octava u otro factor de dos).

En un vuelo anterior, calculé que si el ventilador principal giraba de modo que su borde exterior se moviera a la velocidad del sonido, el zumbido sería aproximadamente de la frecuencia de rotación del ventilador. Si el ventilador tuviera 24 aspas (o 48 si tengo la octava equivocada), entonces el silbato podría ser las aspas del ventilador y el gemido el ventilador mismo.

Una explicación podría ser que hay algo asimétrico en el ventilador, por ejemplo, una pala es demasiado larga y golpea la carcasa cuando está a plena potencia. (Por supuesto, esto no tendría sentido desde el punto de vista de ingeniería y confiabilidad).

¿Qué causa ese gemido metálico de tono mucho más bajo?

Editar: acabo de regresar en un vuelo de JetBlue, pero también usando un ERJ-190. Donde antes estaba sentado en la fila tres, esta vez estaba en la fila 24 de 25. En el despegue, solo hubo un fuerte rugido; sin "lloriqueo" o "silbato". Entonces, está bastante claro que los ruidos a los que me refiero anteriormente se emiten desde la entrada del motor.

Y, en esta página , encontré una foto de la entrada del motor eficiente GE CF34-10E del ERJ-190:

Entrada de motor eficiente ERJ-190 GE CF34-10E

Efectivamente, el ventilador de admisión tiene 24 aspas. Entonces, mi suposición anterior sobre la relación de frecuencia entre mi "gemido" y "silbido" tiene alguna base física.

Y me gustaría responder a un comentario de @kevin:

¿Podría ser que el "gemido" siempre existe en el espectro de frecuencia, pero está justo por debajo de nuestro umbral de detección del oído humano (tanto el tono como la amplitud) durante el funcionamiento a bajas revoluciones?

Cuando el "gemido" comienza y termina, mi impresión es que sí, el tono sube cuando inicialmente se fortalece y baja cuando finalmente falla. Sin embargo, su volumen depende en gran medida del tono, por lo que es mucho más silencioso cuando se ejecuta al 80 % del tono máximo/RPM, e inaudible por debajo de eso. Suena como si la cuchilla que supuestamente golpea la carcasa solo lo hace por encima de ciertas RPM (nuevamente: así es como suena, es casi seguro que no es lo que realmente está sucediendo). De manera más general, mi interpretación es que la causa del "lloriqueo" solo ocurre por encima de ciertas RPM.

Edición 2: @fooot tuvo la amabilidad de señalar otra pregunta que es básicamente un duplicado. Mi texto y suposiciones son (creo) mucho más claros, pero la otra pregunta enlaza con dos videos que demuestran exactamente de lo que he estado hablando:

Ninguna de las respuestas a la otra pregunta es correcta; uno se enfoca en el ruido de las aspas del ventilador (demasiado agudo) y el otro en las ventilaciones de ecualización de presión (no relacionadas con la velocidad del motor).

¿Podría ser que el "gemido" siempre existe en el espectro de frecuencia, pero está justo por debajo de nuestro umbral de detección del oído humano (tanto el tono como la amplitud) durante el funcionamiento a bajas revoluciones?
Lo más probable es que las puntas de las palas excedan localmente la velocidad del sonido.
"24 o 48" podría ser una cuestión de armónicos. El primer armónico está al doble de la frecuencia de tierra, es decir, exactamente una octava más alta. (Y sí, un factor de 24 son 4,58 octavas)
El número de aspas coincide con la relación entre los dos tonos que escucho, lo que implica fuertemente que un tono está en la frecuencia por aspa y el otro tono está en la frecuencia por rotación.
Interferencia entre paletas guía estáticas ("palas de turbina" es un nombre inapropiado, estas son paletas que no giran, están en la sección del compresor) y las paletas del compresor serían mi suposición. Como la interacción entre el rotor principal y el rotor de cola de un helicóptero, haciendo el sonido del "chopper". Aunque solo soy un profano...

Respuestas (3)

Encontré los siguientes límites de RPM para el GE CF34-10E: 6325 RPM y 18018 RPM para las etapas N1 y N2 . Al 100 % de potencia, las RPM de la etapa N2 son 17160 RPM.

Básicamente, estamos viendo una frecuencia de rotación de unos 300 Hz. Muy por encima del umbral de 20 Hz para la audición, incluso si no está al 100 % de potencia.

Donde las cosas se ponen interesantes es el hecho de que el oído humano se vuelve notablemente menos sensible a los sonidos por debajo de los 300 Hz. Entonces, cuando el motor gira de 200 Hz a 300 Hz, el aumento de potencia probablemente no solo producirá más ruido puro, sino que también tendrá una frecuencia más audible. Pero exactamente qué tan fuerte es ese efecto, es difícil de describir. ¡Incluso hay un estándar para esto, dirigido específicamente a los ruidos de los aviones!

Mi gran pregunta es por qué una turbina, que sin duda está precisamente equilibrada y simétrica, emite un fuerte sonido en su frecuencia de rotación fundamental.
La turbina tiene que interactuar con el aire, ese es el objetivo de una turbina. El movimiento de rotación es periódico. El equilibrio reducirá las asimetrías, pero no es posible eliminarlas de manera realista. Pero incluso si lo hiciera, el flujo de aire de entrada tampoco es perfectamente simétrico. Es probable que una pequeña perturbación provoque una vibración que se amortigüe lentamente; es difícil amortiguar las vibraciones en maquinaria de movimiento rápido.

No estoy seguro de qué quiere decir con "metálico", pero el sonido de los motores Embraer ERJ-190 es bastante diferente del sonido de motores más grandes, como los de A-320 o B737... Supongo que el ventilador produce mucho sonido de baja frecuencia debido a una velocidad de rotación mucho más baja. Y a toda velocidad, los motores del 190 realmente suenan "diferentes" en comparación con configuraciones de menor potencia. Incluso he notado algún tipo de variación cíclica de zumbido, tanto en el sonido como en una ligera vibración también. No olvidemos que los Embraer son más livianos en peso y construcción en general, y su sensación es realmente diferente. De todos modos, cualquier contacto prolongado entre el rotor y el estator no es deseable ni común. Hay un "sello" de tipo laberinto, pero es sin contacto.

Es posible que esté escuchando las puntas de las hojas 'rozando' los sellos de panal (es lo que las hojas sellan en la punta). Busque "Sellos de la cubierta de la turbina..."

¿Puede proporcionar más detalles? Aunque ciertamente puede haber contacto allí, parece que esto causaría problemas de desgaste si las cuchillas rozan regularmente los sellos.
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