Triebwerksentwicklung Projekt Buzzkatz: DLR und Rolls-Royce reduzieren Fluglärm

Im Rahmen des Projekts Buzzkatz arbeiten das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und Rolls-Royce daran, den Triebwerkslärm zu minimieren. Hier kommen Triebwerkskonzepte mit großem Fan-Durchmesser ins Spiel.

Fluglärm beeinträchtigt die Lebensqualität von Menschen, die in der Umgebung von Flughäfen wohnen. Für das weitere Wachstum des Luftfahrtsektors ist es daher notwendig, diesen zu reduzieren. Eine wichtige Rolle spielt es dabei, den Lärm direkt an der Quelle, das heißt am Flugtriebwerk selbst, zu minimieren.

Die gemeinsamen Forschungsarbeiten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Rolls-Royce haben bereits einen deutlichen Beitrag zur Reduktion des Triebwerkslärms in den letzten Jahrzehnten geleistet. Nun sollen die neuen UltraFan-Flugtriebwerken von Rolls-Royce den Triebwerkslärm im Vergleich zu der aktuellen Triebwerksgeneration nochmal um bis zu 35 Prozent reduzieren. Gleichzeitig wird von Rolls-Roye eine Reduktion des Kerosinverbrauchs für zukünftige Mittelstreckenflugzeuge um 20 Prozent angestrebt. Um diese Ziele zu erreichen, ist die Entwicklung von Technologien und Verfahren zur Reduktion des Fluglärms an der Quelle besonders wichtig.

Triebwerkskonzepte mit großem Fan-Durchmesser

Im kürzlich gestarteten Projekt Buzzkatz – Verbundvorhaben zur Akzeptanz klimafreundlicher Luftfahrttechnologien durch Lärmreduzierung – liegt der Fokus auf der weiteren Lärmminderung für moderne Triebwerkskonzepte mit großem Fan-Durchmesser. Durch ein höheres Nebenstromverhältnis und den Einsatz eines Hochleistungsgetriebes können moderne Triebwerke deutlich leiser werden. Der Grund ist anschaulich: Ein größerer Fan bewegt eine größere Luftmenge langsamer nach hinten. Dadurch muss die Luft weniger stark beschleunigt werden, um den gleichen Schub zu erzeugen. Das reduziert den Strahllärm, der vor allem durch die schnelle Vermischung des Abgasstrahls mit der Umgebungsluft entsteht. Gleichzeitig kann der große Fan durch das Getriebe in einem besonders geringeren Drehzahlbereich betrieben werden. Geringere Umfangsgeschwindigkeiten der Fanblätter tragen dazu bei, auch den Fan-Lärm weiter zu senken.

Neue Herausforderungen

Gleichzeitig eröffnet diese neue Triebwerksarchitektur die Möglichkeit, das Triebwerksgehäuse kürzer und leichter zu gestalten. Das verringert den Luftwiderstand und hilft, Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emissionen weiter zu senken. Akustisch entsteht dadurch jedoch eine neue Herausforderung: In einem kürzeren Einlauf bleibt weniger Platz für schalldämpfende Auskleidungen. Außerdem kann die anströmende Luft vor dem Fan weniger gut beruhigt und gleichmäßig verteilt werden. Solche ungleichmäßigen Strömungen am Triebwerkseintritt können zusätzliche Fan-Geräusche verursachen. Damit die neue Architektur insgesamt tatsächlich leiser wird, muss diese mögliche Lärmerhöhung beim installierten Triebwerk genau verstanden, vorhergesagt und durch geeignete Maßnahmen begrenzt werden.

Triebwerksakustik im Forschungsfokus

Um diese Effekte in der Triebwerksentwicklung berücksichtigen zu können, untersucht die Abteilung Triebwerksakustik des DLR-Instituts für Antriebstechnik in Berlin sie sowohl in Computersimulationen als auch experimentell am modularen Fan-Prüfstand Co/Contra-Rotating Acoustic Fan Test Rig, kurz Craft. Ergänzend werden am Strömungsakustik-Prüfstand DUCT Konzepte für schalldämpfende Triebwerksauskleidungen erforscht. Mithilfe hochauflösender Mikrofon-Arrays werden dominante Lärmquellen lokalisiert und bewertet.

Tests im akustischen Windkanal und Simulationen

Das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig ergänzt die Forschung an den Triebwerken. Im Aeroakustik-Windkanal Braunschweig (AWB) wird der Lärm infolge der Installation des Schubstrahls mit dem Flügel und ein spezielles Schallausbreitungsphänomen bei Turbinentönen untersucht. Das Phänomen entsteht, wenn Turbinentöne durch den stark verwirbelten Rand des Schubstrahls treten. Der Schall wird dabei gestreut und auf viele Frequenzen verteilt. Statt einzelner klarer Töne entsteht so ein eher rauschendes Geräusch, das als weniger störend empfunden wird.

Für die Entwicklung von leiseren Flugzeugkonfigurationen simulieren die Forscher zudem die Abschirmung durch Tragflächen (Wing Shielding). Messungen am DLR-Forschungsflugzeug HALO haben die eingesetzten Simulations-Methoden erfolgreich validiert. Für die Vorhersage von Kabinengeräuschen untersuchen die Forschenden auch, wie sich Triebwerkslärm am Flugzeug ausbreitet. Dazu gehört, wie der Schall an der Flugzeugstruktur reflektiert wird und wie ihn die turbulente Strömung nahe dem Rumpf verändert.

Prognosen für die Zukunft

Bereits seit den 1970er-Jahren wird der Fluglärm durch internationale Standards und verbindliche Lärmgrenzwerte reguliert. Moderne Flugzeuge sind heute deutlich leiser als noch vor wenigen Jahrzehnten. Die angestrebte Reduktion des Triebwerkslärms um 35 Prozent könnte laut Prognosen ausreichen, um den erwarteten Anstieg der Flugbewegungen bis 2050 zu kompensieren, ohne dass die absolute Lärmbelastung zunimmt. Dieses Ziel liegt jedoch noch unter den Vorgaben des europäischen Luftfahrtbeirats ACARE, der eine deutlich höhere Reduktion der wahrgenommenen Lärmemissionen bis 2050 anstrebt. Weitere Forschungsvorhaben sind daher nötig. (se)

(ID:50843792)