DE102019134692A1

DE102019134692A1 - Verfahren und elektrisch angetriebener Propeller oder Rotor mit Einrichtungen zur Minderung tonaler Schallabstrahlungen

Info

Publication number: DE102019134692A1
Application number: DE102019134692.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Delfs
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: DE102019134692B4

Abstract

Zur Minderung tonaler Schallabstrahlungen von einem Propeller (1) oder Rotor, der mehrere Propeller- oder Rotorblätter (2) aufweist und der zur Drehung um eine Drehachse (4) angetrieben wird, wird eine Winkelgeschwindigkeit des Propellers (1) oder Rotors mit einem elektrischen Antrieb (5) mit definierter Phase über seine Umläufe um die Drehachse (4) derart variiert, dass die Schallabstrahlung in einen zeitlich invariant vorgegebenen Bereich eines Umfangswinkels (χ) um die Drehachse (4) gemindert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Minderung tonaler Schallabstrahlungen von einem Propeller oder Rotor, der mehrere Propeller- oder Rotorblätter aufweist und der zur Drehung um eine Drehachse angetrieben wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Propeller oder Rotor mit mehreren Propeller- oder Rotorblättern, einem Drehantrieb, der zum Antreiben des Propellers oder Rotors um eine Drehachse ausgebildet ist, und Einrichtungen zur Minderung tonaler Schallabstrahlungen von dem Propeller oder Rotor.
Unter tonalen Schallabstrahlungen werden Schallabstrahlungen mit einer Schallfrequenz gleich der mit der Anzahl der Propeller- oder Rotorblätter multiplizierten Drehzahl des Propellers oder Rotors um die Drehachse oder deren Vielfachen, d. h. Harmonischen, verstanden.
Sowohl bei dem Verfahren als auch bei dem Propeller oder Rotor kann koaxial zu dem Propeller oder Rotor ein weiterer Propeller oder Rotor gegenläufig angetrieben sein. Der Propeller oder Rotor kann entsprechend Teil eines sogenannten Contra-Rotating Open Rotor (CROR)-Antriebs sein.
STAND DER TECHNIK
Freifahrende und insbesondere installierte Propeller und Rotoren sind laute Schallquellen. Sie fallen durch Drehtöne mit einer Schallfrequenz von ihrer Drehzahl multipliziert mit der Anzahl ihrer Propeller- oder Rotorblätter auf. Bei Flugzeugen stellen sie einen wesentlichen Teil des Fluglärms dar. Dies betrifft künftig in besonderen Maße unbemannte und auch manntragende Drohnen. Bekannte Maßnahmen zur Reduktion der Schallabstrahlung von Propellern und Rotoren bestehen in einer Absenkung der Blattspitzenmachzahl. Beim Ergreifen dieser Maßnahme muss jedoch zur Schuberhaltung die Blattbelastung erhöht werden, wodurch sich Installationseffekte verstärken, die zusätzliche und zum Teil sogar lautere Schallquellen hervorrufen.
Die schallquellenwirksamen Installationseffekte basieren auf einer aerodynamischen Wechselwirkung des Rotors oder Propellers mit seiner Installationsumgebung, beispielsweise einem Fluggerät, durch die eine ungleichförmige Zuströmung zum Rotor oder Propeller erfolgt.
Während ein freifahrender Propeller oder Rotor, der gleichförmig mit fester Drehzahl umläuft, Schall hauptsächlich in der Propeller- oder Rotorebene abstrahlt, führen Ungleichförmigkeiten bei der Drehzahl von Propellern und Rotoren, die zum Beispiel auf ungleichförmige Anströmungen zurückgehen, zu einer verstärkten Schallabstrahlung in bestimmte Umfangswinkelbereiche. So ist es aus J. P. Yin et al.: „New Acoustic and Aerodynamic Phenomena due to Non-Uniform Rotation of Propellers“, Journal of Sound and Vibration (1999) 225(1), 171-187, bekannt, dass bei kolbenmotorgetriebenen Propellern die Schallabstrahlungen je nach Umfangswinkel um Drehachsen der Propeller verstärkt, aber auch verringert sind. Auch die Richtwirkung der Schallabstrahlung über dem Überflugwinkel wird durch die auf die Ungleichförmigkeit der Drehzahl bei kolbenmotorgetriebenen Propellern zurückzuführenden instationären Blattlasten zu einer stärker omnidirektionalen Charakteristik hin verändert.
Aus J. Yin et al.: „Aerodynamics and Aeroacoustic Analysis of Installed Pusher-Propeller Aircraft Configurations“, Journal of Aircraft, Vol. 49, No. 5, September-October 2012, 1423-1433 und J. Dierke et al.: „Installation Effects of a Propeller Mounted on a Wing with Coanda Flap. Part II: Numerical Investigation and Experimental Validation“, 20^th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, 16-20 June 2014, Atlanta, USA, DOI: 10.2514/6.2014-3189, ist es bekannt, dass die Installation von Propellern hinter oder vor einem Flügel ebenfalls die Schallabstrahlungen ändert. Charakteristisch für diese Anordnungen von Propellern ist, dass infolge von Installationseffekten - ähnlich wie bei ungleichförmiger Drehzahl - instationäre Blattlasten auftreten und dadurch die Schallabstrahlungen eine mehr stärker omnidirektionale Charakteristik aufweisen als bei freifahrenden Propellern.
Aus der DE 10 2009 007 013 A1 ist es bei einem Triebwerk für ein Flugzeug mit mindestens einem um eine in Reiseflugrichtung ausgerichtete Drehachse drehangetriebenen und mehrere Rotorblätter aufweisenden Rotor, bei dem ein den Vortrieb des Rotors beeinflussender geometrischer Parameter der Rotorblätter veränderbar ist, bekannt, eine Steuerung vorzusehen, die den geometrischen Parameter mit mindestens einer Frequenz periodisch verändert, die mindestens so groß ist wie die Drehzahl des Rotors. Typischerweise beträgt die Frequenz, mit der die Steuerung den geometrischen Parameter periodisch verändert, ein Vielfaches der Drehzahl des Motors. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Steuerung den geometrischen Parameter bei den einzelnen Rotorblättern abhängig von ihrer Winkellage relativ zu einer Aufhängung des Triebwerks verändert. Konkret kann die Steuerung den geometrischen Parameter so verändern, dass auf die Rotorblätter einwirkende instationäre Kräfte und/oder Anregungen von Luft- und/oder Körperschall durch den Rotor minimiert werden. Der geometrische Parameter wird aus der Gruppe ausgewählt, die den Anstellwinkel, die Verdrillung und den Profilverlauf des jeweiligen Rotorblatts umfassen. Diese bekannte Maßnahme zur Minderung der Schallabstrahlung von einem Rotor, setzt die Veränderbarkeit des den Vortrieb des Rotors beeinflussenden geometrischen Parameters der einzelnen Rotorblätter mit einer ausreichend hohen Frequenz voraus und erfordert eine relativ komplexe Steuerung.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen elektrisch angetriebenen Propeller oder Rotor mit Einrichtungen zur effektiven und dennoch wenig aufwändigen Minderung tonaler Schallabstrahlungen aufzuzeigen.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch einen Propeller oder Rotor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Propellers oder Rotors sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Minderung tonaler Schallabstrahlungen von einem Propeller oder Rotor, der mehrere Propeller- oder Rotorblätter aufweist und der zur Drehung um eine Drehachse angetrieben wird, wird eine Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors über seine Umläufe um die Drehachse mit einem elektrischen Antrieb mit definierter Phase derart variiert, dass zumindest die Schallabstrahlungen in einen zeitlich invariant vorgegebenen Bereich eines Umfangswinkels um die Drehachse gemindert werden. Dabei kann der Propeller oder Rotor freifahrend oder unter ungleichförmigen Strömungsbedingungen infolge der aerodynamischen Wirkung von Installationsbauteilen in seiner Umgebung betrieben werden.
Die Erfindung macht aktiv von dem Phänomen Gebrauch, dass Variationen der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors, wie sie bekanntermaßen durch einen Kolbenmotor oder Installationseffekte induziert sein können, tonale Schallabstrahlungen eines Propellers oder Rotors modulieren. Bei der Erfindung wird die Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors mithilfe des elektrischen Antriebs künstlich so hervorgerufen, dass die Schallabstrahlungen zumindest in den vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels um die Drehachse, beispielsweise den bei einem startenden Fluggerät mit Propellerantrieb nach unten weisenden Bereich des Umfangswinkels, gezielt gemindert werden. Der Bereich des Umfangswinkels um die Drehachse, in dem die gewünschte Minderung der Schallabstrahlung auftritt, ist hinsichtlich Lage und Größe mit den mithilfe des elektrischen Antriebs hervorgerufenen Variationen der Winkelgeschwindigkeit über deren Phase verknüpft. Bei fester Drehzahl und fester Phase der Variationen bleibt der Bereich des Umfangswinkels um die Drehachse räumlich fest. In vielen Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher die Winkelgeschwindigkeit gezielt mit gegenüber dem vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels definierter fester Phase variiert. Dabei kommt es für die Definition der Phasenbeziehung auf den gegenüber einer festen Nullposition (z.B. in Richtung Boden) festgelegten Umfangswinkel um die Drehachse des Propellers oder Rotors an.
Weiterhin stellt sich heraus, dass die Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors, mit der eine besonders deutliche Minderung der Schallabstrahlung in einen vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels um die Drehachse zu erzielen ist, genau einmal während der Dauer jedes Umlaufs des Propellers oder Rotors um die Drehachse erfolgt. Es ist also insbesondere keine höherfrequente Variation der Winkelgeschwindigkeit beispielsweise mit der mit der Anzahl der Propeller- oder Rotorblätter multiplizierten Drehzahl des Propellers oder Rotors erforderlich. Anders gesagt ist es ausreichend, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors über jeden seiner Umläufe um die Drehachse nur einmal erhöht und wieder reduziert wird.
Bei der Form der Variation der Winkelgeschwindigkeit ist Spielraum vorhanden. Im einfachsten Fall kann die Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors zumindest ungefähr sinusförmig variiert werden, was mit vergleichsweise geringem Aufwand möglich ist, weil dies eine Minimierung der Änderung der zur Variation der Winkelgeschwindigkeit benötigten positiven und negativen Beschleunigungen des Propellers oder Rotors bedeutet. Zu einem sinusförmiges Variieren der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors zählt dabei nicht nur eine Variation gemäß einer einfachen Sinusgrundkurve, die während eines Umlaufs des Rotors oder Propellers um die Drehachse genau eine Periode durchläuft. Vielmehr kann diese Sinusgrundkurve auch mit mindestens einer weiteren Sinuskurve, die eine kürzere Periode aufweist und insbesondere eine Oberharmonische der Sinusgrundkurve ist, überlagert sein.
Die relative Variation der Winkelgeschwindigkeit, d. h. die maximale Änderung der Winkelgeschwindigkeit über ihre Variation hinweg, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren benötigt wird, um die Minderung der Schallabstrahlungen zu bewirken, bewegt sich im Bereich weniger Prozent der nicht variierten Winkelgeschwindigkeit, die gleich 2n-mal der Drehzahl des Propellers oder Rotors ist. Eine typische Variation beträgt mindestens 1 % oder 2 %. Mehr Variation als 6 % oder oftmals auch nur 4 % sind nicht notwendig. Konkret kann die Variation 2 % oder etwas mehr und damit beispielsweise ± 1 % der nicht variierten Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors betragen.
Um die Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors mit genau der Phase durchzuführen, die die gewünschte Minderung der Schallabstrahlungen in den vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels ergibt, kann eine Winkellage des Propellers oder Rotors erfasst und die Variation jeweils abhängig von der erfassten Winkellage festgelegt werden. Es versteht sich, dass mit der Winkellage des Propellers seine jeweils aktuelle Winkellage gemeint ist. Diese Winkellage muss nicht fortlaufend erfasst werden. Vielmehr reicht es aus, wenn erfasst wird, wann der Propeller oder Rotor wieder in eine bestimmte Winkellage zurückkehrt, um dieser Winkellage gegenüber die Phase der Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors zu definieren. Bei dieser Vorgehensweise wird die Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors im Sinne einer Steuerung appliziert.
Um die Phase zu definieren, mit der die Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors zu variieren ist, um die Minderung der Schallabstrahlungen in den vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels um die Drehachse zu erreichen, kann alternativ oder zusätzlich die Schallabstrahlung in den vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels um die Drehachse des Propellers oder Rotors erfasst und die Phase in Abhängigkeit von der erfassten Schallabstrahlung eingeregelt werden. Beispielsweise kann die Phase zielgerichtet so geändert werden, dass die Schallabstrahlung in den vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels um die Drehachse abnimmt, und so lange, wie mithilfe einer Änderung der Phase eine Abnahme der Schallabstrahlung in den vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels um die Drehachse erreicht wird.
Der Aufwand, der mit dem elektrischen Antrieb für die Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors betrieben werden muss, kann dadurch reduziert werden, dass mit dem elektrischen Antrieb eine Drehschwingung des Propellers oder Rotors um die Drehachse bei einer Eigenfrequenz des Propellers oder Rotors angetrieben wird. Es versteht sich, dass dazu die Eigenfrequenz des Propellers oder Rotors für derartige Drehschwingungen auf seine Drehzahl abzustimmen ist, bei der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. An dieser Stelle ist anzumerken, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht ununterbrochen durchgeführt werden muss, sondern ganz im Gegenteil auf solche Situationen beschränkt werden kann, in denen die Schallabstrahlungen von dem jeweiligen Propeller oder Rotor besonders störend sind, wie beispielsweise beim Starten, Landen oder sonstigen Tiefflug eines Fluggeräts, bei dem die Schallabstrahlungen nach unten unerwünschten Fluglärm darstellen. Solcher Fluglärm stellt beim Erreichen einer Reisehöhe des jeweiligen Fluggeräts in aller Regel kein Problem mehr dar.
Bei dem elektrischen Antrieb, mit dem die Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors um die Drehachse variiert wird, kann es sich um einen separaten elektrischen Antrieb handeln, der keine andere Funktion als die Variation der Winkelgeschwindigkeit hat. Ein entsprechender Antrieb kann also beispielsweise zwischen einer Antriebswelle des Propellers oder Rotors und einer Nabe angeordnet sein, an der die Propeller- oder Rotorblätter gelagert sind. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors um die Drehachse mit demselben elektrischen Antrieb variiert wird, mit dem der Propeller oder Rotor um die Drehachse angetrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird also besonders vorteilhaft bei elektrisch angetriebenen Propellern oder Rotoren angewandt. Dabei reicht oft ein Eingriff in die Steuerung des elektrischen Antriebs aus, um die erfindungsgemäße Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors zu ermöglichen.
Bei einem erfindungsgemäßen Propeller oder Rotor mit mehreren Propeller- oder Rotorblättern, einem Drehantrieb, der zum Antreiben des jeweiligen Propellers oder Rotors um eine verlaufende Drehachse ausgebildet ist, und Einrichtungen zur Minderung tonaler Schallabstrahlungen von dem Propeller oder Rotor umfassen die Einrichtungen einen elektrischen Antrieb und sind dazu ausgebildet, eine Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu variieren.
Die Einrichtungen zur Minderung tonaler Schallabstrahlung des erfindungsgemäßen Propellers oder Rotors können einen Winkelsensor umfassen, der dazu ausgebildet und angeordnet ist, eine Winkellage des Propellers oder Rotors zu erfassen. Wenn ein derartiger Winkelsensor an dem jeweiligen Propeller oder Rotor, zum Beispiel an dessen Drehantrieb, aus anderen Gründen sowieso vorgesehen ist, kann er von den Einrichtungen genutzt werden.
Die Einrichtungen können weiterhin einen Schallsensor umfassen, der dazu ausgebildet und angeordnet ist, die Schallabstrahlung in einen vorgegebenen Bereich eines Umfangswinkels um die Drehachse zu erfassen.
In einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Propellers oder Rotors ist dieser derart elastisch an dem Drehantrieb gelagert, dass er eine Eigenfrequenz für Drehschwingungen um seine Drehachse im Bereich einer Betriebsdrehzahl aufweist. Wenn der Propeller oder Rotor mit dieser Betriebsdrehzahl um die Drehachse umläuft, ist es besonders einfach, seine Winkelgeschwindigkeit mit dem elektrischen Antrieb mit dieser Betriebsdrehzahl, d. h. einmal je Umlauf um die Drehachse, zu variieren.
Wie schon im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angesprochen wurde, ist bei einem elektrisch angetriebenen Propeller oder Rotor kein zusätzlicher elektrischer Antrieb für das Variieren der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors erforderlich, vielmehr kann der elektrische Antrieb der Einrichtungen zur Minderung tonaler Schallabstrahlung ein Elektromotor des Drehantriebs des Propellers oder Rotors sein.
Wie ebenfalls schon im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angedeutet wurde, ist es bevorzugt, wenn die Einrichtungen zur Minderung der Schallabstrahlung abschaltbar sind. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Einrichtungen durch die Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors zum Beispiel Körperschall in dem jeweiligen Fluggerät anregen können, der als störend empfunden wird und daher auf solche Zeiträume beschränkt werden sollte, in denen der Nutzen durch die Minderung der Schallabstrahlungen größer ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Sensor die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Sensor, zwei Sensoren oder mehr Sensoren vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren oder Erzeugnis aufweist.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Propeller mit Blickrichtung längs seiner Drehachse.
2 zeigt den erfindungsgemäßen Propeller gemäß 1 mit seitlicher Blickrichtung auf seine Drehachse.
3 ist eine Auftragung des Schalldrucks bei einer Schallfrequenz vom Achtfachen der Drehzahl des Propellers über verschiedene Polarwinkel cp gemäß 2 bei verschiedenen Umfangswinkeln _X gemäß 1 um einen Mittelpunkt des Propellers bei einer Variation seiner Winkelgeschwindigkeit mit der sechsfachen Frequenz seiner Drehzahl um +/- 2 %, wobei zum Vergleich der Schalldruck bei derselben Schallfrequenz für eine gleichförmige Rotation des Propellers aufgetragen ist.
4 und 5 zeigen 3 entsprechender Auftragungen des Schalldrucks bei Schallfrequenzen vom Zehnfachen und Zwölffachen der Drehzahl des Propellers; und
6 ist eine Auftragung der Schalldrücke bei einer Schallfrequenz f₈ vom Achtfachen, einer Schallfrequenz f_lO vom Zehnfachen und einer Schallfrequenz f₁₂ vom Zwölffachen der Drehzahl des Propellers über dem Umfangswinkel _X gemäß 2 für einen festen Polarwinkel cp gemäß 2 bei derselben Variation der Winkelgeschwindigkeit wie in den 3 bis 5, wobei zum Vergleich die Schalldrücke bei denselben Schallfrequenzen für eine gleichförmige Rotation des Propellers aufgetragen sind.

FIGURENBESCHREIBUNG
Der in den 1 und 2 dargestellte Propeller 1 weist zwei Propellerblätter 2 und einen elektrischen Drehantrieb 3 auf, mit dem die Propellerblätter 2 um eine Drehachse 4 angetrieben werden. Zudem dient der elektrische Drehantrieb 3 als elektrischer Antrieb 5, um die Winkelgeschwindigkeit des Propellers 1 um die Drehachse 4 über jeden Umlauf um die Drehachse 4 hinweg zu variieren. In 1 ist ein Umfangswinkel χ um die Drehachse 4 eingezeichnet und in 2 ein Polarwinkel φ gegenüber der Drehachse 4 um einen Mittelpunkt 7 des Propellers 1 eingezeichnet. Ein in den Drehantrieb 3 integrierter oder externer Winkelsensor 8 erfasst eine momentane Winkellage des Propellers 1 um die Drehachse 4. In einem Abstand 6 von dem Mittelpunkt 7 kann zusätzlich ein Schalldrucksensor 9 positioniert sein. Der Schalldrucksensor erfasst Schallabstrahlungen des Propellers 1 in den durch den Umfangswinkel χ und den Polarwinkel φ um seinen Mittelpunkt 7 definierten Raumwinkel. Der elektrische Antrieb 5 zur Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers 1 wird von einer als Steuerung ausgebildeten Einheit 10 basierend auf der von dem Winkelsensor 8 erfassten momentanen Winkellage des Propellers 1 fest so angesteuert, dass die Schallabstrahlungen von dem Propeller 1 in einen vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels χ möglichst weitgehend gemindert sind. Alternativ kann der elektrische Drehantrieb 5 von einer als Regelung ausgebildeten Einheit 10 abhängig von dem Signal des Schallsensors 9 geregelt werden, um die Phase der Variation der Winkelgeschwindigkeit so einzustellen, dass die Schallabstrahlungen von dem Propeller 1 in den Raumwinkel, in dem der Schallsensor 9 angeordnet ist, möglichst weitgehend gemindert sind. Dass dies bei Flugrichtung eines Fluggeräts mit dem Propeller 1 in Bezug auf 2 von rechts nach links und einer resultierenden Anströmung 11 des Propellers 1 möglich ist, belegen die folgenden Figuren, die aus J. P. Yin et al. 1999, Supra, entnommen sind.
3 ist eine Auftragung des Schalldrucks bei einer Schallfrequenz f₈ vom Achtfachen der Drehzahl, d. h. der achten Harmonischen der Drehzahl des Propellers 1, wie er mit dem Schallsensor 9 im Abstand von 4 Metern von dem Mittelpunkt 7 gemessen wurde, über den Polarwinkel cp bei verschiedenen Umfangswinkeln χ. Zugrunde liegt eine Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers 1 mit der sechsfachen Frequenz seiner Drehzahl von 2.700 U/min und mit einer Amplitude von +/- 2 % dieser Drehzahl. Kurve 12 zeigt die Einflüsse auf den Schalldruck für den Umfangswinkel χ = 60° und Kurve 13 für χ = 5°. Die Kurve 14 gibt im Vergleich dazu den Verlauf des Schalldrucks bei derselben Schallfrequenz über den Winkel φ für eine uniforme, d. h. gleichmäßige Winkelgeschwindigkeit des Propellers 1 wieder.
4 und 5 zeigen die Kurven 12 und 13 für Schallfrequenzen f₁₀ vom Zehnfachen und f₁₂ vom Zwölffachen der Drehzahl, d. h. die zehnte und zwölfte Harmonische der Drehzahl des Propellers 1. Deutlich wird, dass unter dem Umfangswinkel χ = 5 % die Schallabstrahlung gegenüber dem Fall mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit des Propellers 1 über einen großen Bereich des Polarwinkels φ um die Propellerebene, d. h. dort, wo der Abstand des Propellers 1 zu einem Beobachter am Boden während eines Überflugs am geringsten ist, deutlich gemindert ist und dass dies für alle berücksichtigen Harmonischen Drehzahl des Propellers 1 gilt. Unter dem Umfangswinkel χ = 60° ist die Schallabstrahlung hingegen erhöht. Durch Anpassen der Phase der Variation der Winkelgeschwindigkeit kann daher die Schallabstrahlung in einen vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels χ um die Drehachse 4 des Propellers 1 gezielt gemindert werden.
6 zeigt die Abhängigkeit der in den 3 bis 5 aufgetragene Schalldrücke der achten, zehnten und zwölften Harmonischen der Drehzahl des Propellers 1 bei festem Polarwinkel φ = 120° um den Mittelpunkt 7 gemäß 2 von dem Umfangswinkel χ um die Drehachse 4 gemäß 1. Im Vergleich zu den konstanten Werten der Schalldrücke bei uniformer Winkelgeschwindigkeit fällt auf, dass die Schalldrücke bei allen Harmonischen der Drehzahl durch die Variation der Winkelgeschwindigkeit mit der sechsfachen Frequenz der Drehzahl bei sechs Werten des Umfangswinkels χ gemindert und dazwischen erhöht sind. Dies lässt den Schluss zu, dass die Anzahl und die Lage der Bereiche des Umfangswinkels χ, in denen diese Minderungen der Schallabstrahlungen auftreten, durch die Frequenz und die Phase der Variation der Winkelgeschwindigkeit bestimmt werden. Um die Minderung der Schallabstrahlung in einen möglichst großen vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels χ zu erreichen, ist daher eine Variation der Winkelgeschwindigkeit mit der Frequenz von der Drehzahl des Propellers sinnvoll.
Die Wirkungsweise der Erfindung basiert auf einer sektorenweise destruktiven Überlagerung der Blattpassierfrequenzanteile der abgestrahlten Töne freifahrender Propeller und Rotoren sowie ihrer Harmonischen mit solchen, die durch die ungleichförmige Winkelgeschwindigkeit zusätzlich erregt werden. Genutzt werden kann diese sektorenweise destruktive Überlagerung von abgestrahlten Tonfrequenzanteilen auch bei installierten Propellern, d. h. für Töne die auf Installationseffekte zurückzuführen sind. Weiterhin ist eine sektorenweise destruktive Überlagerung von Tonfrequenzanteilen koaxial gegenläufiger Rotoren, d. h. der Einsatz bei CROR-Antrieben möglich. Bei Verwendung eines elektrischen Drehantriebs des jeweiligen Propellers als elektrischer Antrieb, um die Variation der Winkelgeschwindigkeit des Propellers oder Rotors herbeizuführen, verursachen die Einrichtungen zum erfindungsgemäßen Abmindern der Schallabstrahlung keine signifikante Erhöhung des Gewichts des Propellers 1 mit Drehantrieb 3.
Bezugszeichenliste

1: Propeller
2: Propellerblatt
3: Drehantrieb
4: Drehachse
5: elektrischer Antrieb
6: Abstand
7: Mittelpunkt des Propellers 1
8: Winkelsensor
9: Schallsensor
10: Einheit
11: Anströmung
12: Kurve
13: Kurve
14: Kurve
χ: Umfangswinkel um die Drehachse 4
φ: Polarwinkel zur Drehachse 4 um den Mittelpunkt 7

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009007013 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Minderung tonaler Schallabstrahlungen von einem Propeller (1) oder Rotor, - der mehrere Propeller- oder Rotorblätter (2) aufweist und - der zur Drehung um eine Drehachse (4) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelgeschwindigkeit des Propellers (1) oder Rotors mit einem elektrischen Antrieb (5) mit definierter Phase über seine Umläufe um die Drehachse (4) derart variiert wird, dass die Schallabstrahlungen in einen zeitlich invariant vorgegebenen Bereich eines Umfangswinkels (χ) um die Drehachse (4) gemindert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit mit gegenüber dem vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels (χ) definierter fester Phase variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit des Propellers (1) oder Rotors über jeden seiner Umläufe um die Drehachse (4) einmal erhöht und wieder reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit des Propellers (1) oder Rotors sinusförmig variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit des Propellers (1) oder Rotors um mindestens 1 % oder 2 % und um höchstens 6 % oder 4 % variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkellage des Propellers (1) oder Rotors erfasst wird und dass die Winkelgeschwindigkeit des Propellers (1) oder Rotors abhängig von der erfassten Winkellage variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase, mir der die Winkelgeschwindigkeit des Propellers (1) oder Rotors variiert wird, fest vorgegeben gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallabstrahlungen in den vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels (χ) um die Drehachse (4) erfasst werden und dass die Phase, mit der die Winkelgeschwindigkeit des Propellers (1) oder Rotors variiert wird, in Abhängigkeit von den erfassten Schallabstrahlungen eingeregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem elektrischen Antrieb (5) eine Drehschwingung des Propellers (1) oder Rotors um die Drehachse (4) bei einer Eigenfrequenz des Propellers (1) oder Rotors angeregt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (1) oder Rotor mit demselben elektrischen Antrieb (5) um die Drehachse (4) angetrieben wird, mit dem die Winkelgeschwindigkeit des Propellers (1) oder Rotors um die Drehachse (4) variiert wird.
Propeller (1) oder Rotor mit - mehreren Propeller- oder Rotorblättern (2), - einem Drehantrieb (3), der zum Antreiben des Propellers (1) oder Rotors um eine Drehachse (4) ausgebildet ist, und - Einrichtungen zur Minderung tonaler Schallabstrahlungen von dem Propeller (1) oder Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen einen elektrischen Antrieb (5) umfassen und dazu ausgebildet sind, eine Winkelgeschwindigkeit des Propellers (1) oder Rotors nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu variieren.
Propeller (1) oder Rotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen einen Winkelsensor (8) umfassen, der dazu ausgebildet und angeordnet ist, eine Winkellage des Propellers (1) oder Rotors zu erfassen.
Propeller (1) oder Rotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen einen Schallsensor (9) umfassen, der dazu ausgebildet und angeordnet ist, die Schallabstrahlung in einen zeitlich invariant vorgegebenen Bereich des Umfangswinkels (χ) um die Drehachse (4) zu erfassen.
Propeller (1) oder Rotor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (1) oder Rotor derart elastisch an dem Drehantrieb (3) gelagert ist, dass er eine Eigenfrequenz für Drehschwingungen um seine Drehachse (4) im Bereich einer Betriebsdrehzahl aufweist.
Propeller (1) oder Rotor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (5) der Einrichtungen ein Elektromotor des Drehantriebs (3) des Propellers (1) oder Rotors ist.
Propeller (1) oder Rotor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen abschaltbar sind.