DE3736141A1 - AIRPLANE PROPELLER - Google Patents
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- B64C11/00—Propellers, e.g. of ducted type; Features common to propellers and rotors for rotorcraft
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Flugzeugpropeller nach dem Ober begriff des Patentanspruches 1.The invention relates to aircraft propellers according to the upper Concept of claim 1.
Als Antrieb von Luftfahrzeugen mit Reisegeschwindigkeiten unter etwa 300 km/h dominiert der Propellerantrieb. Bei diesen Luft fahrzeugen handelt es sich im militärischen Bereich um Transport flugzeuge und im zivilen Bereich um Sport- und Geschäftsreise flugzeuge, deren Geräuschabstrahlung - nicht zuletzt aufgrund der großen Anzahl von Flugbewegungen - von der Bevölkerung in der Umgebung von Flugplätzen als belästigend angesehen wird. As a drive for aircraft at cruising speeds below The propeller drive dominates at around 300 km / h. In this air vehicles in the military field are transport planes and in the civilian area for sports and business travel aircraft whose noise emissions - not least due to the large number of flight movements - by the population in the Airfield environment is considered a nuisance.
Die Geräuschabstrahlung von kleineren Propellerflugzeugen der allgemeinen Luftfahrt basiert überwiegend auf dem Propeller geräusch. Die Geräuschabstrahlung ist hierbei insbesondere von der Blattspitzen-Machzahl abhängig.The noise emission from smaller propeller aircraft general aviation is largely based on the propeller noise. The noise emission is in particular from depending on the Mach tip number.
Man hat sich bisher bemüht, die Geräuschabstrahlung durch Ver minderung der Blattspitzen-Machzahl zu verringern. Eine Ver ringerung der Blattspitzen-Machzahl ist jedoch zwangsläufig mit einer Einbuße an Schubkraft verbunden. Es sind daher zusätzliche Maßnahmen zu treffen, um diese Schubeinbuße auszugleichen.So far, efforts have been made to reduce the noise emission by ver reduction in the Mach tip number. A ver Reduction of Mach's tip number is inevitable a loss of thrust. So there are additional ones Take measures to compensate for this loss of thrust.
So ist es bekannt, den Propellerschall bei Flugzeugen der all gemeinen Luftfahrt durch Verringerung der Drehzahl zu mindern (B. Bredow, "Leiser Antrieb für die allgemeine Luftfahrt", Bonn: BMFT, Abschlußbericht 1976). Zur Erhaltung des Schubes bedingt dieses jedoch eine Durchmesservergrößerung des Propellers und die Verwendung von Untersetzungsgetrieben. Ein größerer Propeller durchmesser erfordert in vielen Fällen zur Einhaltung der er forderlichen Bodenfreiheit für den Propeller ein höheres Fahr werk. Eine solche Erhöhung des Fahrwerkes führt zusammen mit dem notwendigen Übersetzungsgetriebe und dem größeren Propeller zu einer deutlichen Massenzunahme für das Flugzeug. Dieser Weg ist daher nur dann realisierbar, wenn die erforderliche Freiheit für den größeren Propellerdurchmesser vorhanden ist und in jedem Fall Untersetzungsgetriebe für den Propeller vorgesehen sind (Z. "VDI-Nachrichten", Nr. 12, S. 42 / 20. März 1987).So it is known, the propeller noise in aircraft of all to reduce common aviation by reducing the speed (B. Bredow, "Quiet drive for general aviation", Bonn: BMFT, final report 1976). Conditional to maintain thrust this, however, an increase in the diameter of the propeller and Use of reduction gears. A bigger propeller diameter in many cases requires compliance with the required ground clearance for the propeller a higher driving plant. Such an increase in the chassis leads together with the necessary transmission gear and the larger propeller a significant increase in mass for the aircraft. That way is therefore only feasible if the required freedom for the larger propeller diameter is available and in any case Reduction gears are provided for the propeller (Z. "VDI-Nachrichten", No. 12, p. 42 / March 20, 1987).
Bei direkt angetriebenen Propellern kann die Blattspitzen-Mach zahl nur durch Verringerung des Propellerdurchmessers reduziert werden. Dabei muß dann zur Erhaltung des Schubes das Propeller blattprofil entsprechend modifiziert werden bzw. das Propeller blatt mit Auftriebsbeihilfen versehen sein, um den Schub zu erhalten. With directly driven propellers, the blade tip mach number only reduced by reducing the propeller diameter will. The propeller must then maintain the thrust Blade profile can be modified accordingly or the propeller sheet with buoyancy aids to boost the thrust receive.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß der Weg, über eine Verminderung der Blattspitzen-Machzahl zu einer Verminderung der Geräuschabstrahlung zu gelangen, dazu zwingt, wesentliche Änderungen des Propellers vorzunehmen. Insbesondere eine Um rüstung vorhandener Flugzeuge wird dadurch sehr aufwendig.In summary, it can be said that the way, via a decrease in the Mach tip number to a decrease the noise emission to get essential Make changes to the propeller. In particular an order Arming existing aircraft is therefore very expensive.
Ziel der Erfindung ist es, eine deutliche Propellerlärmminderung zu erreichen, ohne daß Änderungen des Antriebes und der Pro pellerblattgeometrie erforderlich sind und ohne daß eine Schub verminderung eintritt.The aim of the invention is a significant reduction in propeller noise to achieve without changes in the drive and the Pro peller blade geometry are required and without a thrust reduction occurs.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kenn zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merk male.This object is achieved according to the invention by the in drawing part of claim 1 exposed note times.
Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Appropriate configurations are the subject of the subclaims.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß eine deut liche, wenn auch begrenzte Minderung des Propellerlärms, möglich ist mit Propellern, die für die umzurüstenden Flugzeuge Standard sind. Es sind also keine neuartigen Propellerprofile notwendig. Die Blattspitzen-Machzahl bleibt unverändert und damit der mit den Propellern erreichbare Schub. Wie erwähnt, ist die erreich bare Minderung des Propellerlärms begrenzt. Es sind jedoch Lärm minderungen bis zu 4 dB (A) zu erwarten. Dies bedeutet eine recht erhebliche Minderung der Lärmbelästigung der Bevölkerung bei einem für den Flugzeugbesitzer zumutbaren Aufwand.The particular advantage of the invention is that a German possible, albeit limited, reduction in propeller noise is standard with propellers for the aircraft to be converted are. So no new propeller profiles are necessary. The Mach's blade tip number remains unchanged and therefore the same thrust achievable by the propellers. As mentioned, this is achieved limited reduction in propeller noise. However, it is noise reductions of up to 4 dB (A) can be expected. This means a right one significantly reduce the noise pollution of the population a reasonable effort for the aircraft owner.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigtThe invention is illustrated in the drawing, for example and described in detail below with reference to the drawing. In this shows
Fig. 1 eine lärmmindernde Anordnung von Propellerblattpaaren am Beispiel eines Vierblattpropellers; Fig. 1 shows a noise reducing arrangement of propeller blade couples the example of a four-bladed propeller;
Fig. 2 in einem Diagramm die berechnete Abhängigkeit des optimalen Blatteilungswinkels von der helikalen Blatt spitzen-Machzahl für einen Vierblattpropeller; Fig. 2 is a diagram showing the calculated dependency of the optimum Blatteilungswinkels of the helical blade tip Mach number for a four-bladed propeller;
Fig. 3 in einem Diagramm die berechnete Lärmminderung in Abhängigkeit vom Blatteilungswinkel bei einem Vier blattpropeller für eine helikale Blattspitzen-Machzahl von 0,5; Figure 3 is a graph of the calculated noise reduction blade propeller in dependence on the Blatteilungswinkel in a four for a helical blade tip Mach number of 0.5.
Fig. 4 in Gegenüberstellung schematische Diagramme des un bewerteten und des A-bewerteten Spektrums bekannter Propeller und von Propellern gemäß der Erfindung; FIG. 4, in comparison, schematic diagrams of the un-weighted and the A-weighted spectrum of known propellers and of propellers according to the invention;
Fig. 5 in Ansicht und Draufsicht eine Anordnung von zwei in Flugrichtung hintereinander liegenden Zweiblatt propellern mit einem erfindungsgemäßen Teilungswinkel; Fig. 5 lying behind each other in elevation and top view of an arrangement of two in the direction of flight two-blade propellers with an inventive pitch angle;
Fig. 6 gemessene Schmalbandpegelspektren der Geräuschab strahlung in der Rotationsebene von Modellpropellern. Fig. 6 measured narrowband level spectra of the noise radiation in the plane of rotation of model propellers.
In den vergangenen Jahren sind nicht nur die experimentellen Möglichkeiten der Geräuschmessung und -analyse, sondern insbeson dere auch die Möglichkeiten einer theoretischen Behandlung der Propellergeräuschabstrahlung wesentlich verbessert worden. Zur Zeit läßt sich daher die Geräuschabstrahlung von Propellern, die mit Blattspitzen-Machzahlen unter ca. 0,8 in ungestörter, achs paralleler Zuströmung betrieben werden, mit zufriedenstellender Genauigkeit berechnen (Aircraft Noise Prediction Program - Theoretical Manual, Propeller Aerodynamics and Noise; NASA Technical Memorandum 83 199, Part 3, Hampton/Virginia 1986). In recent years, it's not just experimental Possibilities of noise measurement and analysis, but in particular also the possibilities of a theoretical treatment of the Propeller noise emissions have been significantly improved. To Time is therefore the noise emission from propellers that with blade tip Mach numbers below approx. 0.8 in undisturbed, ax parallel inflow can be operated with satisfactory Calculate accuracy (Aircraft Noise Prediction Program - Theoretical Manual, Propeller Aerodynamics and Noise; NASA Technical Memorandum 83 199, Part 3, Hampton / Virginia 1986).
Hierbei zeigt sich, daß die helikale Blattspitzen-Machzahl (die auf die lokale Schallgeschwindigkeit bezogene Vektorsumme der Anström- und Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitze) der die Schallerzeugung insgesamt dominierende Parameter ist. Weiterhin steigt der abgestrahlte Geräuschpegel mit wachsender aero dynamischer Blattbelastung und mit der Blattdicke. Profil- und Blattumrißform beeinflussen die Geräuschabstrahlung dagegen im wesentlichen nur bei hohen helikalen Blattspitzen-Machzahlen, d. h. solchen über 0,7.This shows that the helical Mach tip number (the vector sum related to the local speed of sound Inflow and peripheral speed of the blade tip) Sound generation is the dominant parameter overall. Farther the emitted noise level increases with increasing aero dynamic sheet loading and with the sheet thickness. Profile and Sheet outline shape, however, influence the noise emission in the essential only with high helical blade tip Mach numbers, d. H. those over 0.7.
Maßnahmen zur Lärmminderung beinhalten daher bei vorgegebenem Schub die Verwendung möglichst dünner Blattprofile (mit runden Blattspitzen) und als wesentlichstes Kriterium eine Begrenzung der Blattspitzen-Machzahl.Measures to reduce noise therefore include, if specified Thrust the use of sheet profiles as thin as possible (with round ones Leaf tips) and as the most important criterion a limitation the blade tip mach number.
Für die Lärmprüfung von Propellerflugzeugen entsprechend der Lärmschutzforderung für Luftfahrzeuge (LSL) ist der maximale A-bewertete Gesamtschalldruckpegel beim Überflug über ein Meß mikrofon die bestimmte Maßeinheit. Bezüglich dieses Pegels zeigt sich in der Tendenz eine Lärmreduktion bei Verwendung von Propellern mit wachsender Blattzahl und größerem Durchmesser bei jeweils gleicher Blattspitzen-Machzahl und gleichem Schub, sofern eine Blattspitzen-Machzahl von ca. 0,5 nicht wesentlich unter schritten wird, unterhalb der das Propellerbreitbandgeräusch den Propellerdrehklang überdeckt.For noise testing of propeller aircraft according to the Noise protection requirement for aircraft (LSL) is the maximum A-weighted overall sound pressure level when flying over a measurement microphone the specific unit of measurement. Regarding this level shows a tendency to reduce noise when using Propellers with increasing number of blades and larger diameter the same blade tip Mach number and the same thrust, if applicable a Mach-tip number of about 0.5 is not significantly below is below which the propeller broadband noise Propeller rotary sound covered.
Der in Fig. 1 dargestellte Propeller 2 weist vier Propeller blätter 4, 6, 8, 10 auf, von denen sich jeweils zwei Propeller blätter 4 und 6 bzw. 8 und 10 diametral gegenüberliegen, also miteinander den eingezeichneten Winkel von 180° einschließen. Bei einem bekannten Vierblattpropeller haben die einzelnen Propeller einen gleichen Teilungswinkel ε, nämlich einen Teilungswinkel ε von 90°. Gemäß der Erfindung haben die beiden Propellerblattpaare einen Teilungswinkel ε, der kleiner als 50°, vorzugsweise kleiner als 45° ist. Der optimale Teilungswinkel e ist abhängig von der helikalen Blattspitzen-Machzahl, die durch den Propellerdurch messer und die Propellerdrehzahl und die Fluggeschwindigkeit vorgegeben ist und die gemäß der Erfindung gegenüber einem normalen Propellerantrieb im wesentlichen unverändert bleiben soll. Der Wert des optimalen Winkels ε ist umso kleiner anzu setzen, je höher die helikale Blattspitzen-Machzahl M ist. Typisch sind beispielsweise Winkel von e ≈ 20° bei M ∼ 0,7 bzw. ε ≈ 40° bei M ∼ 0,5. Geringe Abweichungen vom optimalen Teilungs winkel ε in der Größenordnung von eta ±5° sind ohne nennens werten Einfluß auf die erreichbare Lärmminderung. Sie liegen im wesentlichen in der Schwankungsbreite der effektiven Blatt spitzen-Machzahl unter den verschiedenen Betriebszuständen. Der Teilungswinkel ε kann jeweils entsprechend dem Betriebszustand des Propellerantriebes optimiert werden, bei dem die maximale Lärmminderung gefordert wird. Dies kann beispielsweise der Start bzw. der Steigflug nach dem Start sein, bei dem normalerweise die maximale Blattspitzen-Machzahl erreicht wird.The propeller 2 shown in Fig. 1 has four propeller blades 4, 6, 8, 10 , of which two propeller blades 4 and 6 or 8 and 10 are diametrically opposed to each other, that is, include the angle of 180 °. In a known four-bladed propeller, the individual propellers have the same pitch angle ε , namely a pitch angle ε of 90 °. According to the invention, the two pairs of propeller blades have a pitch angle ε which is less than 50 °, preferably less than 45 °. The optimal pitch angle e depends on the helical blade tip Mach number, which is determined by the propeller diameter and the propeller speed and the flight speed and which should remain essentially unchanged according to the invention compared to a normal propeller drive. The value of the optimal angle ε is to be set smaller, the higher the helical blade tip Mach number M. For example, angles of e ≈ 20 ° for M ∼ 0.7 or ε ≈ 40 ° for M ∼ 0.5 are typical. Small deviations from the optimal pitch angle ε in the order of approximately ± 5 ° have no significant influence on the noise reduction that can be achieved. They lie essentially in the range of fluctuation of the effective Mach-tip number under the various operating states. The pitch angle ε can be optimized in each case in accordance with the operating state of the propeller drive, in which the maximum noise reduction is required. This can be, for example, the start or the climb after the start, at which the maximum number of blade tips Mach is normally reached.
Die Lehre der Erfindung basiert auf der Tatsache, daß das Schall drucksignal eines Mehrblattpropellers durch - entsprechend der Blattzahl und der azimutalen Blattstellung phasenverschobene - mehrfache Überlagerung des Schalldruckzeitsignals eines Einzel blattes generiert werden kann, wobei maximale Schalldruck amplituden jeweils in dem Zeitintervall auftreten, in dem sich ein Blatt auf den Beobachter hinbewegt. Durch zeitliche Phasen verschiebung der während einer Propellerumdrehung emittierten Einzelblattschalldrucksignale gegeneinander werden im Schall druckpegelspektrum Interferenzminima erzeugt, derart, daß die Frequenz des ersten Minimums mit der Frequenz des spektralen Maximums des A-bewerteten Pegelspektrums der Drehklangharmonischen im wesentlichen zusammenfällt. The teaching of the invention is based on the fact that sound pressure signal of a multi-blade propeller through - according to the Number of sheets and the azimuthal sheet position out of phase - multiple superimposition of the sound pressure time signal of a single sheet can be generated with maximum sound pressure amplitudes occur in the time interval in which a sheet is moving towards the observer. Through temporal phases displacement of those emitted during one revolution of the propeller Single sheet sound pressure signals against each other are in the sound pressure level spectrum generates interference minima such that the Frequency of the first minimum with the frequency of the spectral Maximum of the A-weighted level spectrum of the rotary harmonic essentially coincides.
Entsprechende Phasenverschiebungen werden, wie oben bereits erwähnt, dadurch erreicht, daß von der bei Mehrblattpropellern üblichen gleichmäßigen (azimutalen) Blatteilung abgegangen wird. Um hierbei Unwuchtprobleme zu vermeiden, beziehungsweise weiter hin die identischen Propellerblätter verwenden zu können, soll ein ungleichmäßiger Blatteilungswinkel ε jedoch nur für Blatt paare 4, 6; 8, 10 mit jeweils um 180° gegenüberliegenden Blättern untereinander gelten, wie in Fig. 1 dargestellt. Somit beschränkt sich die Erfindung auf Propeller mit mindestens 4 Blättern, beziehungsweise einer durch 2 teilbaren Blattzahl.Corresponding phase shifts are achieved, as already mentioned above, by departing from the uniform (azimuthal) blade division which is customary in multi-blade propellers. In order to avoid unbalance problems, or to be able to continue using the identical propeller blades, an uneven blade pitch angle ε should only be used for blade pairs 4, 6; 8, 10 with sheets opposite each other by 180 ° apply, as shown in FIG. 1. Thus, the invention is limited to propellers with at least 4 blades, or a number of blades divisible by 2.
Der bei einem 4-Blatt-Propeller von den beiden Blattpaaren 4, 6; 8, 10 eingeschlossene Teilungswinkel ε kann hinsichtlich minimaler Propellergeräuschabstrahlung optimiert werden. Die erreichbare Minderung des A-bewerteten Gesamtschalldruckpegels wird hierbei auf den entsprechenden Geräuschpegel eines üblichen Propellers mit einem Teilungswinkel ε = 90° bezogen und hängt im wesentlichen von der Propellerdrehzahl und dem Propellerdurch messer des Ausangspropellers ab. So wird einerseits die Charak teristik des Propellerdrehklangspektrums durch die helikale Blattspitzen-Machzahl (also im wesentlichen abhängig von Drehzahl und Durchmesser) bestimmt und andererseits die Frequenzlage der Harmonischen - und damit die Wirkung der A-Bewertung - durch die Drehzahl und Blattzahl festgelegt.In a 4-blade propeller, the two blade pairs 4, 6; 8, 10 included pitch angle ε can be optimized with regard to minimal propeller noise radiation. The achievable reduction in the A-weighted overall sound pressure level is based on the corresponding noise level of a conventional propeller with a pitch angle ε = 90 ° and essentially depends on the propeller speed and the propeller diameter of the initial propeller. On the one hand, the characteristics of the propeller rotary sound spectrum are determined by the helical blade tip Mach number (i.e. essentially dependent on the speed and diameter) and on the other hand the frequency position of the harmonics - and thus the effect of the A-rating - is determined by the speed and number of blades.
Weicht die Propellerdrehzahl vom Auslegungswert ab, so muß entweder der eingestellte Teilungswinkel ε - den veränderten Betriebsbedingungen entsprechend - auf einen neuen, optimalen Wert nachgeregelt oder eine Verringerung der maximal erreichbaren Lärmminderung in Kauf genommen werden. If the propeller speed deviates from the design value, either the set pitch angle ε - corresponding to the changed operating conditions - must be readjusted to a new, optimal value or a reduction in the maximum achievable noise reduction must be accepted.
Fig. 2 zeigt beispielhaft die für einen 4-Blatt-Propeller berechnete typische Abhängigkeit des optimalen Teilungswinkels von der helikalen Blattspitzen-Machzahl. Der Wert des optimalen Winkels ε wird demnach kleiner mit steigender Blattspitzen- Machzahl, beziehungsweise nimmt mit sinkender Blattspitzen- Machzahl größere Werte ab. Typisch sind die bereits obener wähnten Winkel von ε ≈ 20° bei M ≈ 0,7, beziehungsweise ε ≈ 40° bei M ≈ 0,5 mit Abweichungen von ∼±5°. Fig. 2 shows an example of a 4-blade propeller calculated typical dependence of the optimum pitch angle of the helical blade tip Mach number. The value of the optimal angle ε therefore becomes smaller with increasing Mach number, or decreases with decreasing Mach number. Typical are the angles already mentioned above of ε ≈ 20 ° for M ≈ 0.7 or ε ≈ 40 ° for M ≈ 0.5 with deviations of ∼ ± 5 °.
In Fig. 3 ist der typische Verlauf der Lärmminderung (Pegel differenz bezogen auf die Geräuschabstrahlung eines 4-Blatt- Vergleichspropellers mit ε = 90°) in Abhängigkeit vom Teilungs winkel ε dargestellt. Die hier bei kleinen Winkeln (ε < 20°) auftretende Lärmerhöhung (gestrichelter Kurvenast) ist aus schließlich auf akustische Wechselwirkungen zurückzuführen. Eine bei sehr kleinen Teilungswinkeln e möglicherweise zu erwartende aerodynamische Interferenz ist nicht berücksichtigt.In Fig. 3, the typical course of the noise reduction (level difference based on the noise emission of a 4-blade comparison propeller with ε = 90 °) is shown depending on the pitch angle ε . The noise increase occurring here at small angles ( ε <20 °) (dashed curve branch) is due exclusively to acoustic interactions. Any aerodynamic interference that may be expected at very small pitch angles e is not taken into account.
Das sich durch akustische Interferenzen im Zusammenwirken mit der A-Bewertungsfunktion ergebende Lärmminderungspotential steigt zu kleinen helikalen Blattspitzen-Machzahlen an, da in diesem Fall die Pegel der Drehklangharmonischen mit wachsender Ordnungszahl (Frequenz) sehr schnell abfallen. Hierdurch wird der A-bewertete Gesamtschalldruckpegel nahezu ausschließlich vom Pegel einer einzelnen Harmonischen bestimmt, dessen interferenzbedingte Minderung dann voll zur Geltung kommen kann.That by acoustic interference in cooperation with the A reduction function resulting in A-evaluation function increases small helical tip mach numbers because in this case the levels of the rotary harmonics with increasing atomic number (Frequency) fall very quickly. The A-rating is thereby achieved Total sound pressure level almost exclusively from the level of one individual harmonics determined, its interference-related Reduction can then come into its own.
In den bislang berechneten und experimentell (im Modellmaßstab) überprüften Fallbeispielen wurden durch diesen Interferenzeffekt Pegelminderungen bis zu ca. 4 dB (A) erzielt. Eine solche Minderung kann z. B. bei der in der Bundesrepublik Deutschland geltenden Gesetzgebung über die Zulassung als sogenanntes lärmarmes Flugzeug ausschlaggebend sein. Wesentlich höhere Pegelminderungen sind als Folge der bei unregelmäßiger azimutaler Blatteilung zusätzlich auftretenden "Subharmonischen" nicht zu erwarten. So ergibt sich im Fall des 4-Blatt-Propellers bei ε < 90° gegenüber dem Ausgangspropeller mit ε = 90° die doppelte Anzahl von Dreh klangharmonischen, entsprechend dem Spektrum eines 2-Blatt- Propellers, wie in Fig. 4 wiedergegeben.In the case examples previously calculated and tested experimentally (on a model scale), this interference effect reduced the level by up to approx. 4 dB (A). Such a reduction can e.g. B. in the legislation in force in the Federal Republic of Germany on approval as a so-called low-noise aircraft. As a result of the additional "subharmonics" that occur with irregular azimuthal leaf division, significantly higher level reductions are not to be expected. Thus, in the case of the 4-blade propeller at ε <90 ° compared to the starting propeller with ε = 90 °, there are twice the number of rotary harmonics, corresponding to the spectrum of a 2-blade propeller, as shown in FIG. 4.
Fig. 4 zeigt anhand schematischer Propellerdrehklangspektren die Wirkung des der Erfindung zugrundeliegenden Interferenzeffektes. In Fig. 4 oben sind das unbewertete und das A-bewertete Spektrum eines üblichen Vierblattpropellers mit einem Teilungswinkel ε = 90° wiedergegeben. In Fig. 4 unten sind die entsprechenden Spektren für einen Vierblattpropeller mit optimiertem Teilungs winkel ε gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar gemeinsam mit den in Fig. 4 oben angeführten Werten. Die erreichbare Geräusch minderung ist in den beiden unteren Diagrammen deutlich erkenn bar. Fig. 4 with reference to schematic propeller rotational sound spectra showing the effect of the underlying invention, the interference effect. In Fig. 4 above the unweighted and the A-spectrum of a conventional four-blade propeller with a pitch angle ε = 90 ° reproduced. In Fig. 4 below the corresponding spectra for a four-bladed propeller with an optimized pitch angle ε according to the invention are shown, together with the values shown in Fig. 4 above. The achievable noise reduction can be clearly seen in the two lower diagrams.
Da die erreichbare Lärmminderung und der Wert des zugehörigen Winkels ε wesentlich vom Abfall der Pegel der Harmonischen über der Frequenz abhängt, sind entsprechende Vorhersagen für jeden Anwendungsfall auf der Grundlage entweder einer Propellerge räuschberechnung oder entsprechender experimenteller Unter suchungen zu treffen.Since the achievable noise reduction and the value of the associated angle ε depend largely on the drop in the level of the harmonics over frequency, appropriate predictions for each application must be made on the basis of either a propeller noise calculation or corresponding experimental studies.
Für die Anwendung des Erfindungsgedankens werden nach Maßgabe der geometrischen und operationellen Propellerparameter, z. B. für einen 4-Blatt-Propeller, der "lärmminimale" Teilungswinkel ε bestimmt und die (mit denen des konventionellen 4-Blatt-Propellers identischen) Propellerblätter unter diesem Teilungswinkel ε auf der Nabe angeordnet. For the application of the inventive concept according to the geometric and operational propeller parameters, for. B. for a 4-blade propeller that determines the "noise-minimal" pitch angle ε and the (with those of the conventional 4-blade propeller identical) propeller blades arranged at this pitch angle ε on the hub.
Die in Fig. 5 dargestellte Propellerkonfiguration ist z. B. durch zwei konventionelle 2-Blatt-Propeller realisierbar, deren Dreh ebenen aufgrund der spezifischen Abstrahleigenschaften des Propellerlärms (das Maximum des A-bewerteten Gesamtschalldruck pegels tritt - abhängig von den Betriebsgrößen - meist in Flug richtung hinter der Rotationsebene auf) einen geringfügigen axialen Versatz aufweisen dürfen. Hierdurch werden - insbesondere bei kleinen Winkeln ε - konstruktive Probleme hinsichtlich der Blattfußeinspannung bei Verstellpropellern vermieden. Bei Starr propellern besteht zudem für das gewählte Beispiel die einfache Möglichkeit, zwei konventionelle 2-Blatt-Propeller axial un mittelbar voreinander zu montieren.The propeller configuration shown in FIG. 5 is e.g. B. realized by two conventional 2-blade propellers, whose rotation levels due to the specific radiation properties of the propeller noise (the maximum of the A-weighted total sound pressure level occurs - depending on the operating parameters - mostly in the direction of flight behind the rotation level) a slight axial offset may have. This avoids - particularly at small angles ε - constructive problems with regard to the blade foot clamping in variable pitch propellers. In the case of rigid propellers, there is also the simple possibility for the selected example of mounting two conventional 2-blade propellers axially and indirectly in front of each other.
Weiterhin kann im Fall axial voreinander angeordneter Propeller paare bei veränderlicher Propellerdrehzahl im Fluge über eine zwischen den beiden 2-Blatt-Propellern angeordnete Verstell mechanik eine Nachregelung des Teilungswinkels ε auf den jeweils akustisch optimalen Wert in Abhängigkeit von der jeweiligen Propellerdrehzahl erfolgen. Für Verstellpropeller mit ihrer leistungsabhängigen Regelung des Blatteinstellwinkels ist dies kaum erforderlich, da die Propellerdrehzahl hier in einem großen Betriebsbereich nahezu konstant ist.Furthermore, in the case of axially arranged propellers in pairs at variable propeller speed in flight via an adjustment mechanism arranged between the two 2-blade propellers, the pitch angle ε can be readjusted to the acoustically optimal value depending on the respective propeller speed. This is hardly necessary for variable pitch propellers with their power-dependent regulation of the blade pitch angle, since the propeller speed is almost constant over a large operating range.
Zur Erzielung großer Startschübe besteht bei axial voreinander angeordneten Blattpaaren darüber hinaus die Möglichkeit, in diesem Sinne geeignete azimutale Blattanordnungen einzustellen.In order to achieve large starting thrusts, axially in front of each other arranged leaf pairs also the possibility in this Set appropriate azimuthal leaf arrangements.
Bei axial voreinander angeordneten Propellerpaaren ist aus akustischen Gründen zu beachten, daß von den im Winkel ε in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Blättern das in Flugrichtung hintere in Drehrichtung voreilt, wie in Fig. 5 veranschaulicht, damit eine mögliche aeroakustische Wechselwirkung des Strömungs nachlaufes des vorderen Blattes mit dem hinteren Blatt mit Sicherheit vermieden wird. Bei der Bestimmung des optimalen Winkels ε ist der günstigste, beziehungsweise zulässige axiale Versatz der Drehebenen auf der Grundlage der zugehörigen Ab strahlrichtcharakteristik zu berücksichtigen.In the case of axially arranged propeller pairs, it should be noted for acoustic reasons that of the successive blades at an angle ε in the circumferential direction leads the rear one in the direction of rotation in the direction of rotation, as illustrated in FIG rear sheet is avoided with certainty. When determining the optimum angle ε , the cheapest or permissible axial offset of the rotary planes on the basis of the associated radiation directivity characteristic must be taken into account.
Die genaue Ermittlung des jeweils optimalen Teilungswinkels kann entweder empirisch, auf der Grundlage von Lärmmessungen, oder mit Hilfe eines geeigneten Propellerlärmberechnungsverfahrens erfolgen, z. B. mit dem im obenerwähnten "Aircraft Noise Prediction Program" (ANOPP) der NASA angegebenen Verfahren. Näherungsweise läßt sich der lärmoptimale Teilungswinkel dagegen sehr einfach bestimmen, wenn ein A-bewertetes Schmalbandpegelspektrum der Schallabstrahlung des Ausgangspropellers (ε = 90°) aus Flug messungen (Meßergebnisse aus Standversuchen sind ungeeignet) bei der zu betrachtenden Propellerdrehzahl vorliegt. In diesem Fall kann der optimale Teilungswinkel näherungsweise gemäß der BeziehungThe exact determination of the optimal pitch angle can be done either empirically, on the basis of noise measurements, or with the help of a suitable propeller noise calculation method, e.g. B. with the method specified in the above-mentioned "Aircraft Noise Prediction Program" (ANOPP) of NASA. Approximately, however, the noise-optimal pitch angle can be determined very easily if there is an A-weighted narrowband level spectrum of the sound radiation from the output propeller ( ε = 90 °) from flight measurements (measurement results from standing tests are unsuitable) at the propeller speed to be considered. In this case, the optimal pitch angle can be approximated according to the relationship
ε = (180°/f max ) (N/60) ε = (180 ° / f max ) ( N / 60)
mit N = Drehzahl in l/min und f max derjenigen Frequenz (in Hz), bei der das Pegelmaximum im gemessenen oder gerechneten A-bewer teten Schmalbandspektrum auftritt.with N = speed in l / min and f max that frequency (in Hz) at which the level maximum occurs in the measured or calculated A-weighted narrowband spectrum.
Der Erfindungsgedanke kann auch auf Propeller angewandt werden, die in gestörter Zuströmung arbeiten. Die erreichbare Lärm minderung und der zugehörige azimutale Teilungswinkel ε können in diesem Fall jedoch nur durch experimentelle Untersuchungen bestimmt werden. The idea of the invention can also be applied to propellers which operate in a disrupted inflow. In this case, however, the achievable noise reduction and the associated azimuthal pitch angle ε can only be determined by experimental investigations.
Experimentelle Untersuchungen wurden mit handelsüblichen 2-Blatt-Propellern für Modellflugzeuge durchgeführt. Benutzt wurden Propeller vom Typ "Super 25-8" (Fa. Graupner) mit 25 cm Durchmesser und 8 cm Steigung (axialer "Fortschritt") pro Um drehung. Die Propeller wurden zur Simulation des Flugzustandes in einem geräusch- und turbulenzarmen Luftstrom von 30 m/s (Freistrahlprüfstand) von einem Elektromotor angetrieben, und zwar mit einer Drehzahl N = 18 060 l/min entsprechend einer helikalen Blattspitzen-Machzahl 0,695.Experimental investigations were carried out with commercially available 2-blade propellers for model aircraft. Propellers of the "Super 25-8" type (Graupner) with a 25 cm diameter and 8 cm pitch (axial "progress") were used per revolution. The propellers were driven by an electric motor to simulate the flight state in a low-noise and low-turbulence air flow of 30 m / s (free jet test bench), namely at a speed N = 18 060 l / min corresponding to a helical blade tip Mach number of 0.695.
Die Übertragbarkeit von Propellergeräuschmeßwerten aus Modell versuchen auf die Großausführung ist, von extremen Betriebs zuständen abgesehen, mit ausreichender Genauigkeit gegeben, wenn jeweils gleiche Blattspitzen-Machzahlen eingehalten werden. Hierzu muß der (kleinere) Modellpropeller mit entsprechend höherer Drehzahl betrieben werden, wodurch sich, entsprechend dem Modellmaßstab, höhere Frequenzwerte für die Drehklangharmonischen des Propellergeräusches ergeben. Vor der Berechnung eines A- bewerteten Gesamtschalldruckpegels ist daher eine Frequenztrans formation erforderlich.The transferability of propeller noise measurements from the model trying on the large scale is of extreme operating conditions apart, given with sufficient accuracy if same leaf tip Mach numbers are observed. For this, the (smaller) model propeller must be used accordingly higher speed are operated, which, according to the Model scale, higher frequency values for the rotary harmonic of the propeller noise. Before calculating an A- overall sound pressure level is therefore a frequency trans formation required.
Fig. 6 zeigt Beispiele von Modellmeßergebnissen (unbewertete Schmalbandpegelspektren) für den konventionellen 4-Blatt-Propeller ε = 90° und einen erfindungsgemäßen Propeller mit dem Teilungs winkel von ε = 24°. Im Spektrum des erfindungsgemäßen Propellers zeigt sich deutlich das Interferenzminimum, dessen Frequenzlage mit Hilfe des gewählten Teilungswinkels und der Drehzahl berechnet werden kann. Fig. 6 shows examples of model measurement results (unweighted narrowband level spectra) for the conventional 4-blade propeller ε = 90 ° and a propeller according to the invention with the pitch angle of ε = 24 °. The spectrum of the propeller according to the invention clearly shows the interference minimum, the frequency position of which can be calculated with the aid of the selected pitch angle and the speed.
Zur Bestimmung der mit dem entsprechenden Interferenz-Propeller von 2 m Durchmesser zu erreichenden Lärmminderung hinsichtlich des A-bewerteten Gesamtschalldruckpegels (bezogen auf die Geräuschabstrahlung eines konventionellen Propellers), sind zunächst die Frequenzskalen der gemessenen Spektren mit dem Modellmaßstab (hier 0,125 = 0,25 m/2,0 m) zu multiplizieren (Frequenztransformation). Zur Illustration ist eine entsprechende Skalierung in Fig. 6 zusätzlich angegeben. Anschließend können die Spektren der A-Bewertung unterzogen und der Gesamtschall druckpegel durch Summation der Schalldruckquadrate (RMS-Werte) der Drehklangharmonischen berechnet werden. Für das gezeigte Beispiel ergibt sich hieraus eine Lärmminderung von ca. 3 dB (A), wenn für die Großausführung ein Propellerdurchmesser von 2 m angenommen wird.To determine the noise reduction that can be achieved with the corresponding interference propeller with a diameter of 2 m with regard to the A-weighted overall sound pressure level (based on the noise emission of a conventional propeller), first the frequency scales of the measured spectra with the model scale (here 0.125 = 0.25 m / 2.0 m) to multiply (frequency transformation). A corresponding scaling is additionally indicated in FIG. 6 for illustration. The spectra can then be subjected to the A rating and the total sound pressure level can be calculated by summing the sound pressure squares (RMS values) of the rotary harmonic. For the example shown, this results in a noise reduction of approx. 3 dB (A) if a propeller diameter of 2 m is assumed for the large version.
Über die Anwendung der Erfindung auf Flugzeugpropeller hinaus sind die beschriebenen interferenzbedingten Lärmminderungen auch bei schnellaufenden Axialgebläsen erzielbar.Beyond the application of the invention to aircraft propellers are the interference-related noise reductions described achievable with high-speed axial fans.
Claims (6)
mit N = Drehzahl in l/min
und f max (Hz) der Frequenz, bei der das Pegelmaximum im gemessenen A-bewerteten Schmalbandspektrum auftritt.2. Aircraft propeller according to claim 1, characterized in that the pitch angle ( ε ) essentially corresponds to the formula ε = (180 ° / f max ) ( N / 60),
with N = speed in l / min
and f max (Hz) of the frequency at which the level maximum occurs in the measured A-weighted narrowband spectrum.
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