5. Februar 2021

Mit neu­em Fan­prüf­stand zur lei­se­ren Luft­fahrt

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Der CRAFT-Prüfstand im DLR-Institut für Antriebstechnik
Der CRAFT-Prüf­stand im DLR-In­sti­tut für An­triebs­tech­nik
Bild 1/2, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Der CRAFT-Prüfstand im DLR-Institut für Antriebstechnik

Mit dem CRAFT (Co/Con­tra-Rota­ting Acou­stic Fan Test Rig) ver­fü­gen die For­sche­rin­nen und For­scher des DLR-In­sti­tut für An­triebs­tech­nik nun über ei­nen Prüf­stand, der auf die Ent­wick­lung zu­künf­ti­ger An­trie­be für ei­ne nach­hal­ti­ge Luft­fahrt aus­ge­rich­tet ist. Ziel ist da­bei, den vom Men­schen be­son­ders stö­rend emp­fun­den Lärm zu mi­ni­mie­ren und gleich­zei­tig die Ef­fi­zi­enz der An­trie­be zu er­hal­ten.
Forschung für zukünftige Antriebe in der Luftfahrt
For­schung für zu­künf­ti­ge An­trie­be in der Luft­fahrt
Bild 2/2, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Forschung für zukünftige Antriebe in der Luftfahrt

Die Fans zu­künf­ti­ger An­trie­be müs­sen deut­lich lei­ser als heu­te wer­den, wo­für die Ur­sa­chen der Lär­ment­ste­hung sehr viel ge­nau­er als bis­her lo­ka­li­siert und dar­auf auf­bau­end be­ho­ben wer­den müs­sen. Mo­der­ne Prüf­stän­de tra­gen we­sent­lich da­zu bei, neue An­triebs­kon­zep­te schon im Pro­to­ty­pen­sta­di­um zu tes­ten.
  • Gesellschaftliche Akzeptanz von Luftfahrzeugen wird zukünftig von ihrer Umweltverträglichkeit abhängen.
  • Zukünftige Antriebe müssen deutlich leiser werden. Ursachen der Lärmentstehung müssen sehr viel genauer lokalisiert werden.
  • Neuer Prüfstand CRAFT testet neue Antriebskonzepte schon im Prototypenstadium und kann Fan-Schallanregung detailliert untersuchen.
  • Schwerpunkte: Luftfahrt, Triebwerksakustik, Antriebstechnik

Die gesellschaftliche Akzeptanz der Luftfahrzeuge wird in Zukunft entscheidend von ihrer Umweltverträglichkeit abhängen, was neben der Klimawirkung auch ihre Lärmabstrahlung betrifft. Die Antriebskonzepte der modernen zivilen Luftfahrt decken eine große Bandbreite von Airtaxis bis zu großen Verkehrsflugzeugen ab. Eine Vielzahl der Luftfahrzeuge wird mit Fans ausgestattet sein, die man an den von außen sichtbaren, großen ummantelten Rotoren erkennt. Die Fans zukünftiger Antriebe müssen deutlich leiser als heute werden, wofür die Ursachen der Lärmentstehung sehr viel genauer als bisher lokalisiert und darauf aufbauend behoben werden müssen. Moderne Prüfstände tragen wesentlich dazu bei, neue Antriebskonzepte schon im Prototypenstadium zu testen. In den letzten Jahren ermittelten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit Industriepartnern den Bedarf an experimentellen aeroakustischen Versuchsträgern und entwickelten einen neuen Prüfstand, der nun in Betrieb geht.

Mit dem CRAFT (Co/Contra-Rotating Acoustic Fan Test Rig) verfügen die Forscherinnen und Forscher des DLR-Instituts für Antriebstechnik nun über einen Prüfstand, der auf die Entwicklung zukünftiger Antriebe für eine nachhaltige Luftfahrt ausgerichtet ist. Ziel ist dabei, den vom Menschen besonders störend empfunden Lärm zu minimieren und gleichzeitig die Effizienz der Antriebe zu erhalten. "Die gewonnen Messdaten liefern uns eine einzigartige Grundlage, um Modellierungsverfahren, die zum lärmarmen Design von Fans eingesetzt werden, zu validieren", sagt Prof. Lars Enghardt, Leiter der Abteilung Triebwerksakustik. "Mit den Versuchen am CRAFT-Prüfstand können wir Rückschlüsse für eine optimale Integration von Antrieben in zukünftigen Flugzeugkonzepten ziehen – sei es bei großen Verkehrsflugzeugen der nächsten Generation, in denen die Triebwerks-Gondeln sehr kurz ausgeführt oder sogar in die Flugzeugstruktur eingebettet sind, als auch bei urbanen Airtaxi-Konzepten, in denen elektrisch angetriebene Fans eng am Rumpf oder Tragflügel installiert sind."

CRAFT bietet modularen und flexiblen Versuchsaufbau

In der einzigartigen Versuchsumgebung des CRAFT kann die Fan-Schallanregung detailliert untersucht werden. Charakteristisch ist der modulare und flexible Versuchsaufbau. Ein Doppelwellensystem ermöglicht Untersuchungen sowohl der weitverbreiteten Rotor-Stator-Konfigurationen, als auch von aerodynamisch effizienten Rotor-Rotor-Konfigurationen sowie zweistufigen Verdichtern. Durch die lange freitragende Nabe können Abstände zwischen Rotor und Stator beziehungsweise Rotor und Rotor flexibel variiert werden. Zudem können Rotoren auch isoliert untersucht werden. Die Statorschaufeln lassen sich einfach austauschen, ohne dass es eines aufwändigen Umbaus der Versuchsanlage bedarf. Durch die zahlreichen Versuchsvariationen und einen kostengünstigen Prüfstandbetrieb können die physikalischen Schallentstehungsmechanismen messtechnisch in einem Umfang analysiert und charakterisiert werden, der bisher nicht möglich war.

Ein weiteres Merkmal von CRAFT ist der an der Eintrittsdüse installierte Strömungskontrollschirm (Inflow Control Device). Er gewährleistet eine wesentlich gleichmäßigere Strömung im Einlauf und ermöglicht damit eine ungestörte, langanhaltende Bewertung der aerodynamischen Schallquellen. Die Bauräume im Ein- und Auslauf sind jeweils großzügig gestaltet, damit die notwendige Messtechnik und Aktuatorik wie sekundäre Schallerzeuger installiert werden kann. Aerodynamische Sonden ermöglichen es, die stationären und turbulenten Strömungskomponenten in der Zuströmung, zwischen Rotor und Stator und stromab des Fans räumlich und zeitlich hoch aufzulösen. Die am Fan erzeugten Schallquellen und das in den Einlauf und Austritt abgestrahlte Schallfeld werden mit insgesamt 200 Mikrofonen zeitgleich erfasst und mithilfe modernster Analyseverfahren interpretiert.

Entwicklungen neuer, innovativer Verfahren zur Fanlärmminderung

Die gewonnenen Erkenntnisse sind Grundlage für die Triebwerksakustiker, neue innovative Verfahren zur Fanlärmminderung zu entwickeln, die im nächsten Schritt wieder an der CRAFT-Versuchsanlage erprobt werden können. Neben gestalterischen Änderungen von Rotor und Stator beruht beispielsweise ein vielversprechendes aktives Konzept auf der gezielten Beeinflussung der Strömung am Ort der Schallquellen.

Darüber hinaus lassen sich Ansätze erarbeiten, die zukünftig eine flexiblere Wartung der Turbo-Komponenten des Triebwerks ermöglichen. So könnte zum Beispiel die Lärmzunahme, die infolge von Schaufelabnutzung oder Schäden entsteht, prognostiziert werden. Neue Methoden können dazu beitragen, Schaufelschäden akustisch zu messen.

Historie: Konzeption und Fertigstellung vom CRAFT

Entwickelt wurde CRAFT vom DLR-Institut für Antriebstechnik mit Unterstützung des DLR Systemhauses Technik. Die Konzeption und der Bau der Versuchsanlage konnten innerhalb von drei Jahren realisiert werden und kosteten etwa 1,6 Millionen Euro. Der Prüfstand befindet sich beim DLR in Berlin-Charlottenburg, dem Sitz der Abteilung Triebwerksakustik des Instituts für Antriebstechnik. Zukünftig soll der CRAFT mit der Abteilung in Berlin-Adlershof einen Neubau beziehen.

Kontakt
  • Prof. Dr. Lars Enghardt

    In­sti­tut für An­triebs­tech­nik, Trieb­werk­sakus­tik
    Telefon: +49 30 310006-28
    Fax: +49 30 310006-39
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  • Dr. Ing. Ulf Tapken

    In­sti­tut für An­triebs­tech­nik, Trieb­werk­sakus­tik
  • Melanie-Konstanze Wiese
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    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

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