Design Process for a Highly-Efficient Low-Noise Propeller

Kurzfassung

Die Elektrifizierung der Luftmobilität stellt Propellerhersteller vor neue Herausforderungen und ermöglicht zugleich neuartige Lufttransportkonzepte. Diese Disseration analysiert und optimiert elektrisch angetriebene Propeller mit dem Fokus auf Propeller der allgemeinen Luftfahrt, Auftriebs- und Kipp-Propeller. Die Herausforderung besteht darin, Lärm und Energiebedarf über verschiedene Betriebsbedingungen hinweg gegeneinander abzuwägen. Zu Beginn wird eine erweiterte Blatt-Elemente-Impuls Theorie (BEMT) zur Leistungsprognose bewertet und validiert, indem sie mit Windkanalversuchen und CFD RANS Simulationen verglichen wird. Die Validierung zeigt, dass die BEMT Schub und Drehmoment mit einer Genauigkeit von 10% vorhersagt. Anschließend werden verschiedene aeroakustische Modellierungsansätze vorgestellt. Das tonale Lärmmodell von Farassat sowie das Breitbandlärmmodell von Brooks, Pope und Marcolini (BPM) werden anhand experimenteller Daten validiert und erreichen eine Genauigkeit von ±7 dB. Die tonalen Lärmmodelle von Gutin und Hanson werden unter verschiedenen Flugbedingungen untersucht und mit dem vorab validierten Farassat-Modell verglichen. Die Bewertung zeigt, dass die Modelle von Gutin und Hanson tonalen Lärm nicht zuverlässig vorhersagen. Darauf folgend wird die BEMT mit den Modellen von Farassat und BPM sowie einem genetischen Algorithmus zu einer multidisziplinären Optimierungsverfahren (MDO) kombiniert. Die MDO balanciert die Lärmemissionen und den Energieverbrauch über eine gesamte Flugmission hinweg. Ergänzt wird sie durch Modelle zur Abschätzung des Motorwirkungsgrads, der Motor und der Propellermasse. Im ersten Schritt werden Blattzahl und Durchmesser optimiert, im zweiten Schritt folgen Sehnenlängen- und Verwindungsverteilung. Die MDO wird auf eine generische Flugmission mit Schwebe-, Transitions- und Reiseflugphase angewendet. Nacheinander werden die Einflüsse der verschiedenen Modelle auf die Optimierungsergebnisse bewertet. Die Bewertung unterstreicht die Notwendigkeit eines multidisziplinären, mehrstufigen Verfahrens zur Optimierung von Lärmemissionen und Energieverbrauch. Der Vergleich eines Fest- mit einem Verstellpropeller zeigt, dass letzterer nur 6,5% effizienter ist. Diese Dissertation leistet einen Beitrag zur Weiterentwicklung elektrisch angetriebener Propeller durch die Einführung eines validierten Optimierungsverfahren und zeigt notwendige Schritte zur weiteren Verbesserung des Optimierungsprozesses auf.