Mantelpropellerantriebe für Kleinflugzeuge

Weintraub, Daniel; Jeschke, Peter; Broichhausen, Klaus-Dieter

doi:HT030951779

Mantelpropellerantriebe für Kleinflugzeuge = Ducted fan propulsion systems for small aircraft

Weintraub, Daniel^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Philipp Weintraub

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jeschke, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Broichhausen, Klaus-Dieter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-07-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01495
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1004558/files/1004558.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Strahlantriebe und Turbomaschinen (413510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fluglärm (frei) ; Kleinflugzeug (frei) ; Mantelpropeller (frei) ; Vorauslegung (frei) ; aircraft noise (frei) ; ducted fan (frei) ; preliminary design (frei) ; small aircraft (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist ein Auslegungsverfahren für Mantelpropellerantriebe, mit dem ihr Betriebsverhalten, ihre Lärmemissionen und ihr Beitrag zum Flugzeugwiderstand bewertet werden. Anhand einer beispielhaften Antriebsauslegung für ein Kleinflugzeug mit 1000 kg Abflugmasse und hybridelektrischem Antriebsstrang werden die beim Entwurf von Mantelpropellerantrieben bestehenden interdisziplinären Zusammenhänge und Zielkonflikte sowie ihre Vor- und Nachteile gegenüber freien Propellern diskutiert. Das Leistungsverhalten des Mantelpropellers wird mit Aero-Mittelschnittsverfahren und Methoden der Triebwerksleistungsrechnung modelliert. Verluste, Lärm und Widerstände werden auf Basis von teils analytischen und teils empirischen Modellen aus der Literatur in die Betrachtungen einbezogen. Das Leistungsverhalten der Motoren wird mit Kennfeldern beschrieben. Studien der Entwurfsparameter für die beispielhafte Auslegung zeigen, dass die Querschnittsflächen von Propeller und Düse den größten Einfluss auf das Leistungsverhalten des Mantelpropellers haben. Die Lärmemissionen hängen darüber hinaus stark von der Lauf- und Leitschaufelanzahl ab. Die Einflüsse von Teilungen, Sehnenlängen und Schaufelwinkeln auf das Leistungsverhalten sowie den Lärm werden ebenfalls quantifiziert und sind in den meisten Fällen deutlich geringer. Bei Änderungen von Entwurfsparametern und Betriebspunkten folgt das Leistungsverhalten stetigen Trends. Die Lärmemissionen hingegen steigen und fallen oft sprunghaft, bedingt durch die komplexen Entstehungsmechanismen des Rotor-Stator-Interaktionslärms. Beispielhaft wird ein parallel-hybrider Mantelpropellerantrieb mit einem Verbrennungsmotor ausgelegt, der zeitweise von einem Elektromotor unterstützt wird. Bei Mantelpropellern ohne Schaufelverstellung ermöglicht die Hybridisierung des Antriebs einige Betriebseinschränkungen aufzuheben, sodass an bestimmten Punkten der Flugmission, z. B. beim Start, erheblich mehr Schub verfügbar ist. Ferner erlauben Mantelpropeller einen wesentlich leiseren Abflug als von den aktuellen auf freie Propeller ausgerichteten Kleinflugzeug-Zertifizierungsstandards vorgeschrieben. Für den beispielhaften Anwendungsfall liegt der berechnete Lärm mehr als 20 dB unter dem Grenzwert. Durch eine Hybridisierung des Antriebs ist eine weitere Lärmminderung realisierbar. Die damit erreichbaren Schubsteigerungen ermöglichen einen steileren Abflug, sodass die Reiseflughöhe in ungefähr der halben Zeit erreicht und der Lärm am Boden auf diese Weise weiter reduziert wird. In Summe sind Mantelpropeller lärmarme Flugantriebe, deren Leistungsverhalten mittels Hybridisierung verbessert werden kann. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge von Leistungsverhalten und Lärm sind für die Vorauslegung solcher Antriebe multidisziplinäre Verfahren erforderlich, wie sie in dieser Arbeit dargestellt werden.

A design procedure for ducted fan propulsion systems is presented in this thesis, which is used to evaluate their operating behavior, noise and drag. Based on an exemplary propulsion system design for a small aircraft with 1000 kg take-off mass and a hybrid electric power train, the design trade-offs of ducted propeller propulsion systems as well as their advantages and disadvantages compared to the free propeller are discussed.A combination of mean line flow analysis and engine performance calculation methods is used to model the ducted fan performance. Losses, noise and drag are accounted for using partly analytical and partly empirical models from literature. The motor operating behavior is evaluated based on performance maps. Design studies show that the fan and nozzle cross-sectional areas are by far the most important parameters influencing performance. Noise emissions also strongly depend on the blade and vane numbers. The influences of pitch, chord length and blade angles on performance and noise emissions are also evaluated; they are significantly lower in most cases. Performance follows steady trends as design parameters or operating points change. Noise emissions, by contrast, often change abruptly and strongly, driven by the complex generation mechanisms of rotor-stator-interaction noise. The exemplary propulsion design deals with a hybrid electric ducted fan propulsion system powered by an internal combustion engine with intermittent support from an electric motor. For ducted fans without variable pitch blades, adding the electric motor partially offsets some operational limitations and makes significantly more thrust available throughout parts of the flight mission, e.g., at take-off. Moreover, ducted fans allow for a much quieter take-off than required by current small aircraft certification standards that have been developed for free propellers. For the exemplary application, the calculated noise is more than 20 dB below the noise limit. Further noise reduction can be achieved with a hybrid electric propulsion system. The additional thrust enables a steeper climb on take-off, which halves the time required to reach cruising altitude and thereby significantly reduces noise on the ground. Overall, ducted fans are promising low-noise propulsion systems and their performance is improved when adding an electric motor, thereby creating a hybrid powertrain. Due to the complex relationship between performance and noise, multidisciplinary methods are required for the predesign of these propulsion systems, such as those presented in this work.

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