Der Elektrifizierung wird eine wichtige Rolle in der fossilfreien Luftfahrt von morgen zugeschrieben.

(WK-intern) – Doch die elektrische Luftfahrt kämpft mit einem Dilemma: Je energieeffizienter ein Elektroflugzeug ist, desto lauter wird es.

Jetzt haben Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, eine Methode zur Optimierung des Propellerdesigns entwickelt, die den Weg für eine leise, effiziente elektrische Luftfahrt ebnet.

In den letzten Jahren wurde der Elektrifizierung eine wichtige Rolle bei der Reduzierung der Emissionen der zukünftigen Luftfahrt zugeschrieben. Aufgrund der Herausforderungen durch größere Reichweiten richtet sich das Interesse vor allem auf elektrische Propellerflugzeuge für kürzere Distanzen. An Elektromotoren angeschlossene Propeller gelten als das effizienteste Antriebssystem für Regional- und Inlandsflüge.

Aber während die Flugzeuge elektrisch sind, verursachen Propeller eine andere Art von Emissionen – Lärm. Der Lärm der Propellerblätter würde nicht nur Fluggäste stören. Zukünftige Elektroflugzeuge müssen in relativ niedrigen Höhen fliegen, wobei die Lärmbelästigung Wohngebiete und Tiere erreichen wird.
Kampf gegen ein Trade-off-Dilemma

Hier steht die Forschungsgemeinschaft vor einem Dilemma. Der Ehrgeiz, Elektroflugzeuge zu entwickeln, die sowohl leise als auch energieeffizient sind, wird durch ein Trade-off-Problem etwas durchkreuzt.

„Wir sehen, dass die Geräuschemissionen umso geringer sind, je mehr Blätter ein Propeller hat. Aber mit weniger Blättern wird der Antrieb effizienter und das Elektroflugzeug kann länger fliegen. In diesem Sinne gibt es einen Kompromiss zwischen Energieeffizienz und Lärm. Dies ist ein Hindernis für Elektroflugzeuge, die sowohl leise als auch effizient sind“, erklärt Hua-Dong Yao, außerordentlicher Professor und Forscher für Strömungsdynamik und Meerestechnik an der Chalmers University of Technology.

Ein optimiertes Design für leise und effiziente Propeller

Aber jetzt könnten Hua-Dong Yao und seine Forscherkollegen einer Lösung einen Schritt näher kommen. Es ist ihnen gelungen, das Geräusch, das an der Spitze der Propellerblätter auftritt, oder „Spitzenwirbel“, eine bekannte, aber weniger gut erforschte Geräuschquelle, zu isolieren und zu untersuchen. Durch die Isolierung dieses Lärms konnten die Forscher seine Rolle in Bezug auf andere Lärmquellen, die von Propellerblättern erzeugt werden, vollständig verstehen. Durch die Anpassung einer Reihe von Propellerparametern wie Steigungswinkel, Sehnenlänge und Anzahl der Blätter fand das Team einen Weg, das Propellerdesign zu optimieren und den Kompromiss zwischen Effizienz und Lärm auszugleichen. Die in der in der Fachzeitschrift Aerospace veröffentlichten Studie beschriebene Methode kann nun im Konstruktionsprozess leiserer Propeller für zukünftige Elektroflugzeuge eingesetzt werden.

„Moderne Flugzeugpropeller haben normalerweise zwei bis vier Blätter, aber wir haben festgestellt, dass Sie durch die Verwendung von sechs Blättern, die mit unserem Optimierungsrahmen entworfen wurden, einen Propeller entwickeln können, der sowohl relativ effizient als auch leise ist. Der Propeller erreicht eine Geräuschreduzierung von bis zu 5-8 dBA* mit nur 3,5 Prozent Schubeinbuße im Vergleich zu einem Propeller mit drei Blättern. Das ist vergleichbar mit der Rauschunterdrückung einer Person, die von einer normalen Gesprächsstimme zu dem Geräusch übergeht, das Sie in einem ruhigen Raum wahrnehmen würden“, sagt Hua-Dong Yao.

* A-bewertetes Dezibel (dBA oder dB(A)) ist ein Ausdruck für die relative Lautstärke von Geräuschen, wie sie vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden. Die A-Bewertung gibt Frequenzen im mittleren Bereich des menschlichen Gehörs mehr Wert und Frequenzen an den Rändern weniger Wert im Vergleich zu einer flachen Audio-Dezibel-Messung. Die A-Bewertung ist der Standard zur Bestimmung von Hörschäden und Lärmbelästigung.

Mehr zur wissenschaftlichen Publikation

Die Studie Blade-Tip Vortex Noise Mitigation Traded-Off Against Aerodynamic Design for Propellers of Future Electric Aircraft wurde in der Zeitschrift Aerospace veröffentlicht.
Die Autoren sind Hua-Dong Yao, Zhongjie Huang, Lars Davidson, Jiqiang Niu und Zheng-Wei Chen.
Die Forscher sind an der Chalmers University of Technology, Volvo Cars, der School of Mechanical Engineering, der Southwest Jiaotong University und der Hong Kong Polytechnic University, China, tätig.
Das Forschungsprojekt wurde von der Transport Area of Advance der Chalmers University of Technology finanziert.

Electrification is seen as having an important role to play in the fossil-free aviation of tomorrow.

But electric aviation is battling a dilemma: the more energy-efficient an electric aircraft is, the noisier it gets. Now, researchers at Chalmers University of Technology, Sweden, have developed a propeller design optimisation method that paves the way for quiet, efficient electric aviation.

In recent years, electrification has been described as having an important role in reducing emissions from future aviation. Due to the challenges posed by longer ranges, interest is chiefly focused on electric propeller planes covering shorter distances. Propellers connected to electric motors are considered the most efficient propulsion system for regional and domestic flights.

But while the airplanes are electric, propellers cause another kind of emission – noise. The noise from the propeller blades wouldn’t just disturb air passengers. Future electric aircraft will need to fly at relatively low altitudes, with noise disturbance reaching residential areas and animal life.
Battling a trade-off dilemma

This is where the research community faces a dilemma. The ambition of developing electric aircraft that are both quiet and energy-efficient is somewhat thwarted by a trade-off problem.

“We can see that the more blades a propeller has, the lower the noise emissions. But with fewer blades, propulsion becomes more efficient and the electric aircraft can fly for longer. In that sense, there is a trade-off between energy efficiency and noise. This is something of an obstacle for electric aircrafts that are both quiet and efficient,” explains Hua-Dong Yao, Associate Professor and researcher in fluid dynamics and marine technology at Chalmers University of Technology.

An optimised design for quiet and efficient propellers

But now, Hua-Dong Yao and his research colleagues may be one step closer to a solution. They have succeeded in isolating and exploring the noise that occurs at the tip of the propeller blades, or “tip vortices”, a known but less well-explored source of noise. In isolating this noise, the researchers were able to fully understand its role in relation to other noise sources generated by propeller blades. By adjusting a range of propeller parameters, such as pitch angle, chord length and number of blades, the team found a way to optimise the propeller design and even out the trade-off effect between efficiency and noise. The method, described in the study published in the journal Aerospace, can now be used in the design process of quieter propellers for future electric aircraft.

“Modern aircraft propellers usually have two to four blades, but we’ve found that by using six blades designed using our optimisation framework, you can develop a propeller that’s both relatively efficient and quiet. The propeller achieves a noise reduction of up to 5-8 dBA* with only a 3.5 per cent thrust penalty, compared to a propeller with three blades. That’s comparable to the noise reduction of someone going from speaking in a normal conversation voice to the sound you would perceive in a quiet room,” says Hua-Dong Yao.

* A-weighted decibel (dBA or dB(A)) is an expression of the relative loudness of sounds as perceived by the human ear. A-weighting gives more value to frequencies in the mid-range of human hearing and less value to frequencies at the edges as compared to a flat audio decibel measurement. A-weighting is the standard for determining hearing damage and noise pollution.

PR: Chalmers University of Technology, Sweden

PB: Der Propellervorschub ebnet den Weg für eine leise, effiziente elektrische Luftfahrt / Photographer: Christina Sicoli on Unsplash