DE10212036B4

DE10212036B4 - Verfahren zur Geräuschreduktion für mehrmotorige Propellerflugzeuge

Info

Publication number: DE10212036B4
Application number: DE10212036A
Authority: DE
Inventors: Ingo Udo Dr. Borchers; Wolfgang Dr. Gleine; Sigurd Dr. Häusler; Michael Dr. Bauer; Roger Dr. Drobietz
Original assignee: EADS Deutschland GmbH; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: EP1347438A2; EP1347438A3; US6896219B2; BR0300683A; US20040018086A1; CA2422441A1; CA2422441C; DE10212036A1

Abstract

Verfahren zur Geräuschreduktion bei mehrmotorigen Propellerflugzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenndaten von mindestens zwei der Propeller (5 bis n) hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Phase derart aufeinander abgestimmt werden, dass sich die Schallfelder (10 bis k) der Propeller (5 bis n) im Bereich (PK) der nächstgelegenen Rumpfstruktur des Flugzeugs, an der aufgrund der direkten Schallabstrahlung der Propeller (5 bis n) ein maximaler Schallpegel auftritt, durch Interferenz abschwächen oder vollständig auslöschen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Geräuschreduktion im Innen- und Außenbereich von mehrmotorigen Propellerflugzeugen.
Bei Propellerflugzeugen stellen die Propeller eine Hauptlärmquelle für den Innen- und Außengeräuschpegel dar. Die Lärmemission eines Propellers ist aufgrund der periodischen Vorgänge sehr tonhaltig. Die Frequenz des Grundtones bestimmt sich im allgemeinen aus dem Produkt von Blattzahl und Drehzahl eines Propellers. Bei heutigen Propellerflugzeugen ist der Grundton sehr tieffrequent. Eine Reduzierung des Innengeräusches erfordert daher z. B. den Einsatz einer hohen Masse zur Erhöhung der Schalldämmung der Rumpfstruktur des Flugzeugs. Diese hohe Masse wäre schädlich für die Leistungsfähigkeit des Flugzeuges. Zudem erhöhen hohe Pegel auf der Rumpfaußenhaut die mechanische/dynamische Belastung der Struktur.
Ein bekanntes Verfahren zur Reduzierung des Kabinengeräuschs in einem Propellerflugzeug ist das so genannte Synchrophasing (z. B. US 5,715,162 A Dabei werden die Phasen von Propellern, die den gleichen Abstand zum Rumpf des Flugzeugs aufweisen, derart eingestellt, dass sich die von den Schallwellen der einzelnen Propellern erzeugten Vibrationen in der Rumpfstruktur destruktiv überlagern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Verfahren zu schaffen, mit dem die Lärmimission der Propeller signifikant gesenkt werden kann, und wobei gleichzeitig z. B. die für die Schalldämmung benötigte Masse gesenkt wird.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Geräuschreduktion bei Propellerflugzeugen werden die Kenndaten von mindestens zwei der Propeller hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Phase derart aufeinander abgestimmt, dass sich die Schallfelder dieser Propeller in einem kritischen Bereich der Rumpfstruktur des Flugzeuges, an dem aufgrund der direkten Schallabstrahlung der Propeller ein maximaler Schallpegel auftritt, durch Interferenz abschwächen oder im Idealfall sogar völlig auslöschen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell für alle Propellerkonfigurationen anwendbar, soweit aufgrund der Konfiguration der Propeller am Flugzeug eine Rumpfstruktur existiert, die auf direktem Weg mit Luftschall von mindestens zwei Propellern beaufschlagt wird. Solche Konfigurationen sind z. B.:

– zweimotorige Propellerflugzeuge bei denen zwei Propeller oberhalb der Tragflächen angeordnet sind
– zweimotorige Propellerflugzeuge bei denen zwei Propeller oberhalb des Rumpfes angeordnet sind
– dreimotorige Propellerflugzeuge bei denen drei Propeller oberhalb der Tragflächen angeordnet sind
– dreimotorige Propellerflugzeuge bei denen zwei Propeller oberhalb der Tragflächen und ein Propeller oberhalb des Rumpfes angeordnet sind
– viermotorige Propellerflugzeuge bei denen jeweils zwei Propeller unterhalb und/oder oberhalb bzw. vor und/oder hinter jeder Tragfläche angeordnet sind
– sechsmotorige Propellerflugzeuge bei denen jeweils drei Propeller unterhalb und/oder oberhalb bzw. vor und/oder hinter jeder Tragfläche angeordnet sind
– achtmotorige Propellerflugzeuge bei denen jeweils vier Propeller unterhalb und/oder oberhalb bzw. vor und/oder hinter jeder Tragfläche angeordnet sind.

In einem bevorzugten Anwendungsbeispiel der Erfindung mit einem viermotorigen Propellerflugzeug mit jeweils zwei Propellern an jeder Tragfläche werden die Kenndaten der beiden an derselben Tragfläche angeordneten Triebwerke (inneres und äußeres Triebwerk) folgendermaßen aufeinander abgestimmt. Die Schallemission des inneren und äußeren Propellers werden so eingestellt, dass sich zumindest das Schallfeld des Grundtons in Amplitude und Phase des inneren Propellers mit dem Schallfeld des Grundtons in Amplitude und Phase des äußeren Propellers im Bereich der nächstgelegenen, kritischen Rumpfoberfläche des Flugzeugs so überlagern, dass sie sich dort durch Interferenz deutlich abschwächen oder im Idealfall sogar völlig auslöschen.
Dazu müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

a) Die Frequenzen der Grundtöne des inneren und äußeren Propellers müssen genau übereinstimmen.
b) Die Amplituden der Grundtöne des inneren und äußeren Propellers müssen am kritischen Rumpfbereich annähernd gleich groß sein.
c) die Druckschwankungen der Grundtöne des inneren und äußeren Propellers müssen am kritischen Rumpfbereich um etwa 180° phasenversetzt sein.

Diese Voraussetzungen können bei dem bevorzugten Anwendungsbeispiel der Erfindung mit einem viermotorigen Propellerflugzeug mit jeweils zwei Propellern an jeder Tragfläche insbesondere folgendermaßen erfüllt werden:
Da der äußere Propeller eine größere Entfernung zur Rumpfoberfläche besitzt, müssen seine Schallabstrahlung im Grundton gegenüber der des inneren Propellers größer sein. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Blattzahl des äußeren Propellers gegenüber der des inneren Propellers verringert wird. Parallel dazu wird die Drehzahl des äußeren Propellers gegenüber der Drehzahl des inneren Propellers erhöht, so dass die Produkte aus Blattzahl und Drehzahl für den inneren Propeller und äußeren Propeller gleich groß sind. Damit ist gleichzeitig sichergestellt, dass die Propeller die gleiche Frequenz im Grundton aufweisen.
Darüber hinaus können die Amplituden der Grundtöne der Propeller u. a. durch Variation

– der Blattgeometrie (z. B. Durchmesser, Blatttiefe, Profilform, insbesondere Blattspitzengestaltung),
– des Blattanstellwinkels,
– der Anströmbedingungen (z. B. Propellerneigewinkel, Vorschalten einer strömungsbeinflussenden Struktur),
– der Entfernung der Propeller zum kritischen Bereich der Rumpfstruktur
– der Propellerpositionen entlang der Anströmrichtung (insbesondere bei Propellern mit einer Vorzugsrichtung in der Abstrahlcharakteristik)

Die notwendigen Phasenlagen der Schallfelder kann in dem hier betrachteten Fall (Produkt aus Drehzahl und Blattzahl für die Propeller konstant, d. h. konstante Blattfolgefrequenz), durch Feineinstellung der momentanen Blattlagewinkel der Propeller zueinander eingestellt werden (z. B. Einstellung der Blattphasenwinkel bzw. der Phasenunterschiede in der Blattfolge der Propeller), so dass die Schallfelder wie oben erwähnt um etwa 180° phasenversetzt im Bereich der kritischen Rumpfoberfläche überlagert werden. Diese Einstellungen können aktiv kontrolliert und gesteuert werden.
Weitere Möglichkeiten zur Abstimmung der Phasen der Schallfelder im Bereich der kritischen Rumpfoberfläche sind:

– Variation des Abstands zwischen innerem und äußerem Propeller,
– Variation der Propellerpositionen entlang der Anströmrichtung (insbesondere bei Propellern mit einer Vorzugsrichtung in der Abstrahlcharakteristik)
– Variation der Propellerdrehrichtung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch unter Berücksichtigung mehrerer Propellertöne (Grundton und Harmonische) anwendbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:

• deutlich geringere Schalldrücke auf der Rumpfaußenhaut und damit Erhöhung der Lebensdauer (Acoustic Fatigue).
• hohe Innengeräuschreduktion bei z. B. deutlich geringerem Einsatz von Masse zur Schalldämmung der Rumpfstruktur.

Anhand einer Fig. wird das erfindungsgemäße Verfahren für ein viermotoriges Propellerflugzeug mit zwei Propellern an jedem der beiden Tragflächen näher erläutert. Sie zeigt in der Ansicht von oben und in schematischer Darstellung die Rumpfaußenhaut 1 des Flugzeugs sowie die Lage des inneren 5 sowie des äußeren 6 Propellers an einer der Tragflächen. Das Schallfeld des inneren Propellers 10 sowie das Schallfeld 11 des äußeren Propellers sind ebenfalls eingezeichnet. Erfindungsgemäß werden die beiden Triebwerke 5, 6 so aufeinander abgestimmt, dass sich am kritischen Punkt PK, dem nächstgelegenen Bereich der Rumpfaußenhaut 1, die beiden Schallfelder so überlagern, dass sie sich möglichst stark abschwächen.

Claims

Verfahren zur Geräuschreduktion bei mehrmotorigen Propellerflugzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenndaten von mindestens zwei der Propeller (5 bis n) hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Phase derart aufeinander abgestimmt werden, dass sich die Schallfelder (10 bis k) der Propeller (5 bis n) im Bereich (PK) der nächstgelegenen Rumpfstruktur des Flugzeugs, an der aufgrund der direkten Schallabstrahlung der Propeller (5 bis n) ein maximaler Schallpegel auftritt, durch Interferenz abschwächen oder vollständig auslöschen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abstimmung der Triebwerkskenndaten zumindest der Grundton der Propeller (5 bis n) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abstimmung der Triebwerkskenndaten neben dem Grundton noch weitere Propellertöne berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Propeller (5 bis n) derart ausgewählt und eingestellt werden, dass das Produkt aus Blattzahl und Drehzahl gleich groß ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Frequenzen der Propeller (5 bis n) mittels Einstellung der Blattzahl und/oder der Drehzahl der Propeller erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Phasen der Propeller (5 bis n) mittels einer oder mehrerer der folgenden Maßnahmen erfolgt: – Einstellung des Abstandes zwischen den Propellern, – Einstellung der Position der Propeller entlang der Anströmrichtung, – Einstellung des momentanen Blattlagewinkels bzw. der Phasenunterschiede in der Blattfolge der Propeller zueinander, – Einstellung der Propellerdrehrichtungen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Amplituden der Propeller (5 bis n) mittels einer oder mehrerer der folgenden Maßnahmen erfolgt: – Einstellung der Blattgeometrie, – Einstellung der Drehzahl, – Einstellung des Blattanstellwinkels, – Einstellung der Anströmungsbedingungen, – Einstellung der Entfernung der Propeller zum kritischen Bereich der Rumpfstruktur. – Einstellung der Propellerpositionen entlang der Anströmrichtung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es an einem viermotorigen Propellerflugzeug mit jeweils zwei Propellern an jeder Tragfläche durchgeführt wird, wobei die zwei an derselben Tragfläche angeordneten Propeller derart hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Phase abgestimmt werden dass sich die Schallfelder der beiden Propeller im Bereich der nächstgelegenen, kritischen Rumpfoberfläche des Flugzeugs so überlagern, dass sie sich dort durch Interferenz deutlich abschwächen oder im Idealfall sogar völlig auslöschen.