Leise und effizient – ​​Neuer Propeller Advance ebnet den Weg für Elektroflugzeuge

Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, haben eine Methode zur Optimierung des Propellerdesigns entwickelt, die den Weg für eine leise und effiziente elektrische Luftfahrt ebnet.

Die Elektrifizierung der Luftfahrt wird als entscheidender Baustein zur Schaffung einer Zukunft ohne fossile Brennstoffe angesehen. Allerdings steht die elektrische Luftfahrt vor einer Herausforderung: Je energieeffizienter das Flugzeug, desto lauter wird es. Glücklicherweise haben Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden ein optimiertes Propellerdesign entwickelt, das die Möglichkeit eröffnet, dass die elektrische Luftfahrt sowohl leise als auch effizient ist.

Die Elektrifizierung wurde in den letzten Jahren als Schlüsselfaktor zur Minderung von Emissionen aus der Luftfahrtindustrie angepriesen. Das Hauptaugenmerk der Elektrifizierung liegt auf Kurzstrecken-Elektropropellerflugzeugen, da sie weniger Hindernisse in Bezug auf Reichweitenbeschränkungen darstellen. Von Elektromotoren angetriebene Propeller gelten als das effizienteste Antriebssystem für Regional- und Inlandsflüge.

Aber während Flugzeuge elektrisch sind, verursachen Propeller eine andere Art von Emissionen – Lärm. Der Lärm der Propellerblätter würde nicht nur Fluggäste stören. Zukünftige Elektroflugzeuge müssen in relativ niedrigen Höhen fliegen, wobei die Lärmbelästigung Wohngebiete und Tiere erreichen wird.

Hua-Dong Yao, außerordentlicher Professor und Forscher für Strömungsdynamik und Meerestechnik, Fakultät für Mechanik und Meereswissenschaften, Chalmers University of Technology, Schweden. Bildnachweis: Chalmers University of Technology | Henrik Sandsjo

Kampf gegen ein Trade-off-Dilemma

Hier steht die Forschungsgemeinschaft vor einem Dilemma. Der Ehrgeiz, Elektroflugzeuge zu entwickeln, die sowohl leise als auch energieeffizient sind, wird durch ein Trade-off-Problem etwas durchkreuzt.

„Wir sehen, dass die Geräuschemissionen umso geringer sind, je mehr Blätter ein Propeller hat. Aber mit weniger Blättern wird der Antrieb effizienter und das Elektroflugzeug kann länger fliegen. In diesem Sinne gibt es einen Kompromiss zwischen Energieeffizienz und Lärm. Dies ist ein Hindernis für Elektroflugzeuge, die sowohl leise als auch effizient sind“, erklärt Hua-Dong Yao, außerordentlicher Professor und Forscher für Strömungsdynamik und Meerestechnologie bei[{” attribute=””>Chalmers University of Technology.

An optimized design for quiet and efficient propellers

But now, Hua-Dong Yao and his research colleagues may be one step closer to a solution. They have succeeded in isolating and exploring the noise that occurs at the tip of the propeller blades, or “tip vortices”, a known but less well-explored source of the noise. In isolating this noise, the researchers were able to fully understand its role in relation to other noise sources generated by propeller blades. By adjusting a range of propeller parameters, such as pitch angle, chord length, and a number of blades, the team found a way to optimize the propeller design and even out the trade-off effect between efficiency and noise. The method, described in the study published in the journal Aerospace, can now be used in the design process of quieter propellers for future electric aircraft.

“Modern aircraft propellers usually have two to four blades, but we’ve found that by using six blades designed using our optimization framework, you can develop a propeller that’s both relatively efficient and quiet. The propeller achieves a noise reduction of up to 5-8 dBA with only a 3.5 percent thrust penalty, compared to a propeller with three blades. That’s comparable to the noise reduction of someone going from speaking in a normal conversation voice to the sound you would perceive in a quiet room,” says Hua-Dong Yao.

• A-weighted decibel (dBA or dB(A)) is an expression of the relative loudness of sounds as perceived by the human ear. A-weighting gives more value to frequencies in the mid-range of human hearing and less value to frequencies at the edges as compared to a flat audio decibel measurement. A-weighting is the standard for determining hearing damage and noise pollution.

Reference: “Blade-Tip Vortex Noise Mitigation Traded-Off against Aerodynamic Design for Propellers of Future Electric Aircraft” by Hua-Dong Yao, Zhongjie Huang, Lars Davidson, Jiqiang Niu and Zheng-Wei Chen, 15 December 2022, Aerospace.
DOI: 10.3390/aerospace9120825

The study was funded by the Transport Area of Advance at Chalmers University of Technology.