Design of Low-Noise Fan Engines for Urban Air Mobility and Sound Quality Analysis Using Virtual Flyovers

Abstract

Um eine neue Form des urbanen Luftverkehrs zu ermöglichen, werden neue Flugzeugkonzepte mit verteilten Antriebssystemen erforscht, die mit einer größeren Anzahl von Triebwerken ausgestattet sind, beispielsweise mit verteilten, ummantelten Fans. Aufgrund von akustischen und psychoakustischen Effekten werden sich die Geräusche solcher Antriebssysteme von denen bestehender Antriebe unterscheiden, wodurch die Lärmwahrnehmung zu einem entscheidenden Faktor für die gesellschaftliche Akzeptanz wird. In dieser Arbeit werden tonale Schallminderungseffekte für langsam drehende, ummantelte Fanstufen mit weniger Stator- als Rotorschaufeln untersucht. Es wird analysiert, wie solche Fanstufen für die urbane Luftmobilität ausgelegt werden können, sodass sie nicht nur leiser sind als konventionelle Designs, sondern auch als weniger unangenehm empfunden werden. Dazu wird das Schaufelzahlverhältnis variiert, wodurch drei akustisch vorteilhafte Designräume identifiziert werden. Zwei tonale Schallminderungseffekte werden analytisch, numerisch und experimentell analysiert, und darauf aufbauend zwei Entwurfsregeln abgeleitet. Die tonalen Schallminderungseffekte werden an zwei Fanstufen mit reduzierter Stator-schaufelzahl demonstriert. Diese werden anschließend virtuell in ein verteiltes Antriebssystem eines Flugtaxis integriert. Trotz vergleichbarer aerodynamischer Leistung zeigen sie deutliche Unterschiede in der Schallabstrahlung. Die Geräuschqualität wird über virtuelle Überflugsimulationen bewertet. Die Ergebnisse zeigen eine Reduktion des EPNL um mehr als 6 dB sowie eine deutliche Verringerung von Lautstärke, Tonalität und Rauheit gegenüber einem Referenzdesign.