Combined propeller blade geometrical modifications to reduce noise emissions of urban air mobility vehicles

Abstract

Urban air mobility (UAM) is a long-term concept of the transportation development in cities including electrical vertical take-off and landing (eVTOL) vehicles for the transport of people and goods. The first concepts are expected to go into operation already within this decade. One aspect of major relevance in this respect is the noise generation, as the social acceptance of these aerial vehicles in densely populated areas strongly depends on it. The propulsion system of such aircraft, in most cases propellers, are the main source of noise emissions. The objective of this diploma thesis is accordingly to study the reduction of noise generation in all phases of vertical flight by geometrical modifications of the propeller blades. In this regard numerous concepts have been developed in recent years, but no tailored combination of noise reduction geometrical modifications of the propeller blades, which is the main focus of the present work. Aerodynamic and aeroacoustic simulations in the far field are carried out for the purpose of validation and analysis of the effects of individual geometrical modifications using the CFD software OpenFOAM with an externally implemented aeroacoustics library. The combination of trailing edge serration, leading edge tubercles and tip modifications results in reductions of the broadband noise in comparison to the reference propeller geometry. While this is true for many configurations producing the same propeller thrust by means of RPM adjustments, it must be realized that the broadband noise magnitude still primarily depends on the rotational velocity. A reduction of the tonal noise can also be achieved due to the geometric adjustments that allow a reduction of the revolutions per minute while maintaining the generated thrust and mechanical power. Special attention has been paid to the combination of features regarding radial positioning and aerodynamic as well as aeroacoustic effect strength according to the results of a literature research. The simulation results are compared for different phases of vertical flight and at numerous rotational velocities within the framework of a parametric study. It emphasises the importance of considering numerous parameters in the optimisation process as well as the targeted design for specific operating conditions, as it is not possible to achieve an improvement for every service condition simultaneously. For the climb case, reductions in broadband noise of up to 8 dB in the narrow band random range as well as for frequencies above 5000 Hz can be observed by the combined application of geometric modifications in comparison to an unmodified propeller blade. The promising numerical results shall be experimentally verified in future research work.

Urban Air Mobility (UAM) ist ein langfristiges Konzept für die Verkehrsentwicklung in Städten, das elektrisch betriebene Senkrechtstarter und -landefahrzeuge (eVTOL) für die Beförderung von Personen und Gütern vorsieht. Es wird erwartet, dass die ersten Konzepte bereits in diesem Jahrzehnt in Betrieb genommen werden. Ein wichtiger Aspekt ist die Lärmentwicklung, denn davon hängt die soziale Akzeptanz dieser Luftfahrzeuge in dicht besiedelten Gebieten ab. Das Antriebssystem solcher Flugzeuge, in den meisten Fällen die Propeller, sind die Hauptquelle der Lärmemissionen. Ziel dieser Diplomarbeit ist es daher, die Reduzierung der Lärmentwicklung in allen Phasen des Vertikalfluges durch geometrische Veränderungen der Propellerblätter zu untersuchen. Hierzu wurden in den letzten Jahren zahlreiche Konzepte entwickelt, jedoch ohne eine abgestimmte Kombination, die im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht. Zur Validierung und Analyse der Auswirkungen einzelner geometrischer Modifikationen werden aerodynamische und aeroakustische Simulationen im Fernfeld unter Verwendung der CFD-Software OpenFOAM mit einer extern implementierten Aeroakustik-Bibliothek durchgeführt. Die Kombination von Hinterkantenverzahnung, Vorderkantentuberkel und Modifikationen an der Blattspitze führt zu einer Reduzierung des Breitbandgeräusches im Vergleich zur Referenzpropellergeometrie, wobei deren Ausmaß von der angewendeten Drehgeschwindigkeit abhängt. Eine Verringerung des tonalen Geräusches kann auch durch geometrische Anpassungen erreicht werden, die eine Verringerung der Drehzahl bei gleichzeitiger Beibehaltung des erzeugten Schubs und der mechanischen Leistung ermöglichen. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Kombination von Merkmalen hinsichtlich der radialen Positionierung und der aerodynamischen sowie aeroakustischen Effektstärke gemäß den Ergebnissen einer Literaturrecherche gelegt. Die Optimierungsergebnisse werden im Rahmen einer Parameterstudie für verschiedene Phasen des Vertikalfluges und bei zahlreichen Rotationsgeschwindigkeiten verglichen. Dies zeigt, wie wichtig die Berücksichtigung zahlreicher Parameter im Optimierungsprozess sowie die gezielte Auslegung für bestimmte Betriebsbedingungen ist, da eine Verbesserung für jeden einzelnen Betriebszustand nicht möglich ist. Für den Steigflug kann durch die kombinierte Anwendung geometrischer Modifikationen im Vergleich zu einem nicht modifizierten Propellerblatt eine Verringerung des Breitbandlärms um bis zu 8 dB bei Frequenzen unterhalb von 1000 Hz sowie oberhalb von 5000 Hz festgestellt werden. Die vielversprechenden numerischen Ergebnisse sollen in zukünftigen Forschungsarbeiten experimentell verifiziert werden.