Arbeitspaket 2a: Minderung des Triebwerkslärms
Senkung des Triebwerkslärms durch lärmoptimalen EntwurfDer Fan trägt erheblich zum gesamten von modernen Triebwerken abgestrahlten Lärm bei und ist wegen der tonalen Geräuschanteile besonders störend. Die Schallemission kann zwar durch Verbesserung der akustischen Auskleidung von Einlauf und Nebenstromkanal verringert werden, doch lassen sich mit dieser Methode beträchtliche Lärmminderungen nur mit langen und schweren Triebwerksgondeln erreichen.
Das DLR verfolgt daher zwei andere Strategien, eine davon ist die Senkung des Lärms an der Quelle durch lärmoptimalen Entwurf des Fans. Hierzu werden zwei Wege verfolgt. Beim ersten wird die Senkung des Fanlärms durch lärmoptimalen Schaufelentwurf erreicht, z.B. durch geneigt Statoren, gepfeilte Schaufelvorderkanten und lärmoptimierte Verteilung des Arbeitsumsatzes über dem Radius. Die Ergebnisse wären bei heutigen Triebwerken nachrüstbar, die erzielbare Lärmminderung bleibt aber begrenzt.
Der zweite Weg hat ein sehr viel größeres Lärmminderungspotential und basiert auf einer wesentlichen Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelspitzen des Fanrotors. Dies erfordert aber den Einbau eines Getriebes für den Fan, ein Kennzeichen zukünftiger lärmarmer Triebwerke. Zur Optimierung des Fans wird erstmalig ein instationäres CFD-Verfahren mit einer akustischen Ausbreitungsrechnung gekoppelt. Das vom DLR entwickelte instationäre Verfahren TRACE_U wird dabei zur Berechnung des reibungsbehafteten Strömungsfeldes in Ebenen unmittelbar vor dem Fanrotor und hinter dem Fanstator eingesetzt. Diese beiden Ebenen dienen als Rand- und Anfangsbedingungen für eine Schallausbreitungsrechnung bis ins Fernfeld. Senkung des Triebwerkslärms durch aktive LärmminderungEine andere Möglichkeit zur Minderung des Fanlärms wird in Zusammenarbeit mit der deutschen und europäischen Triebwerksindustrie verfolgt. Es handelt sich um die Anwendung des Prinzips der aktiven Lärmminderung bei Triebwerken. Das Ziel ist hier die Minimierung des nach unten abgestrahlten Schalls durch Erzeugung eines geeigneten Gegenschallfeldes im Triebwerkseinlauf. Hiermit soll der tonale Triebwerkslärm so weit gesenkt werden, daß er im Breitbandgeräusch verschwindet. Dies gilt auch für das besonders lästige Kreissägengeräusch moderner Fans. Die aktive Lärmminderung bei Triebwerken ist besonders schwierig, weil die dafür benötigten Fehlermikrofone nicht im Schallfernfeld des Triebwerks positioniert werden können. Das DLR verfolgt daher eine Methode, mit der es möglich sein wird, das Gegenschallfeld aus Messungen der Druckschwankungen im Triebwerkseinlauf zu bestimmen. Die gemessenen Drucksignale dienen der Berechnung der ausbreitungsfähigen Schallmoden im Einlauf, aus denen wiederum die Signale zur Ansteuerung der Lautsprecher bestimmt werden. Im Rahmen des Projektes soll eine vom DLR zum Patent angemeldete Methode zur Ermittlung der Lautsprechersignale validiert werden.
Arbeitspaket 2b: Minderung des Umströmungslärms
Ziel der Arbeiten ist die Lärmminderung an der Quelle, konkret die Senkung des Zellenlärms um 3 dB. Dies ist erforderlich, da bei modernen Verkehrsflugzeugen im Landeanflug der Umströmungslärm von der Zelle und der Lärm der Triebwerke von gleicher Größenordnung sein kann. Da nun die umströmten Flugzeugkomponenten eine meist sehr komplexe, dreidimensionale Geometrie aufweisen, sind auch die zugehörigen stationären und instationären Strömungsverhältnisse - und damit insbesondere die Schallerzeugungsmechanismen - auf analytischem Wege heute noch nicht zu beschreiben. Hiervon gibt es nur wenige Ausnahmen, wie z.B. den Hinterkantenlärm.
Damit bleibt der Weg über das Experiment - speziell den Windkanalversuch - zur Quantifizierung der unterschiedlichen Schallquellen und zur Beschreibung der Entstehungsmechanismen, um letztlich auf der Grundlage dieser Erkenntnisse zur Entwicklung von Lärmminderungskonzepten zu kommen. Zur Validierung der im Windkanalversuch ermittelten Abstrahleigenschaften verschiedener Schallquellen - z.B. der Hochauftriebssysteme - sind Überflugmessungen erforderlich, deren Ergebnisse gleichzeitig auch als Datenbasis für Prognoseverfahren genutzt werden können. Welches die wesentlichsten Quellen von Umströmungsgeräuschen am Flugzeug sind, ist heute schon bekannt: Dies sind einerseits die Fahrwerke und andererseits die Hochauftriebshilfen, wie Vorflügel und Landeklappen - hier ganz besonders die Klappenseitenkante. Sinngemäß ist auch die Spitze des Tragflügels eine Lärmquelle. Von hier geht - wie auch von der Klappenseitenkante - ein Randwirbel ab, dessen Rückwirkung auf die Auftriebsfläche zur Schallentstehung führt. Neben diesen Einzelschallquellen entsteht aber auch Lärm durch Wechselwirkungsvorgänge, speziell durch das Auftreffen des Fahrwerksnachlaufs auf die Landeklappe.
Zunächst sind eine Reihe verschiedener Windkanalexperimente geplant, um die Charakteristika unterschiedlicher Quellen von Umströmungsgeräusch zu bestimmen. Hier wird unterschieden nach Fahrwerkslärm und Hochauftriebslärm einerseits sowie Interaktionslärm andererseits. Untersuchungen zum Fahrwerkslärm sind in diesem Projekt allerdings nicht vorgesehen, da diese im EU-Projekt RAIN bis Ende 2000 abgeschlossen wurden. Schallquellstudien an einem Hochauftriebssystem im Modellmaßstab (generisches Klappenmodell im Maßstab 1:6) stellen einen wesentlichen Arbeitsschwerpunkt dar. Hier geht es darum, die Zusammenhänge zwischen lokalen Strömungsgrößen und der Schallabstrahlung (z.B. im Bereich des Vorflügels) zu ermitteln. Im Ergebnis soll hierdurch künftig eine sowohl aerodynamisch als auch akustisch optimale Auslegung z.B. der Vorflügelgeometrie ermöglicht werden. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse können dann auch Lärmminderungskonzepte entwickelt werden, deren Wirkung schließlich im Großversuch am Originalflügel nachzuweisen ist.
Im Bild ist der Versuchsaufbau des A320 Flügels im DNW gezeigt. Über die Schallabstrahlung des "isolierten" Hochauftriebssystems hinaus ist die Wechselwirkung des Fahrwerksnachlaufes mit der stromab ausgefahrenen Landeklappe eine bekannte Strömungsgeräuschquelle. Zur Beschreibung der Schallquellenparameter zur und Quantifizierung des Interaktionslärms wird die Nachlaufströmung eines Fahrwerks im Modellversuch simuliert und die Schallabstrahlung von einer somit turbulent angeströmten Modellandeklappe vermessen. Aus den Ergebnissen aeroakustischer Modelluntersuchungen werden halbempirische Schallquellenmodelle - mit jeweils zugehörigen Abstrahlrichtcharakteristiken - entwickelt. Zur Validierung dieser Erkenntnisse sind Überflugmessungen - z.B. an einer A320 - vorgesehen. Diese müssen daher unter kontrollierten Flugbetriebsbedingungen durchgeführt werden und zwar so, dass sowohl longitudinale als auch laterale Abstrahlcharakteristiken ohne störende Bodeneffekte ermittelt werden können. Die so gewonnene Datenbasis kann dann auch zur Validierung von Lärmprognosen (AP 5) herangezogen werden.