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Schallquellen im Triebwerk

Erstellt am: 11.11.2002 | Stand des Wissens: 13.07.2023
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Die Schallemissionen der Triebwerke stellen im Luftverkehr einen essenziellen Lärmfaktor dar. Durch neue Entwicklungen in der Triebwerkstechnologie konnten diese Lärmemissionen in den letzten 60 Jahren deutlich gesenkt werden, um rund 30 Dezibel [BDL23c]. Dies ist insbesondere auf eine detaillierte Untersuchung der Lärmquellen sowie eine Überarbeitung der Konzeption des Strahltriebwerkes zurückzuführen [Koch03; S. 108f.].
Der größte Anteil der Schallemissionen wird durch den Schubstrahl vom Triebwerk verursacht. Um die Emissionen durch den Strahllärm zu reduzieren, muss das sogenannte Bypassverhältnis (Verhältnis zwischen der Luftmasse im Mantelstrom und der Luftmasse im Abgasstrahl) angehoben werden. Eine Senkung der Strahlgeschwindigkeit um 25 Prozent reduziert die Lärmemissionen um etwa 10 Dezibel. [zlise573439]

Abbildung 1: Vergleich der Schallquellen bei einem frühen und einem modernen Strahltriebwerk [Hols01] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

In Abbildung 1 ist ein Vergleich der Schallemission zwischen einem Strahltriebwerk der ersten und zweiten Generation mit geringem oder keinem Nebenstromverhältnis und einem heutigen Fan-Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis (Bypassverhältnis) dargestellt. Der linke Teil der Abbildung zeigt ein Einkreistriebwerk, bei dem die durch den Verdichter komprimierte und in der Brennkammer erhitzte Luft vollständig ihre Schallenergie direkt in den Schubstrahl (Jet - gelb dargestellt) abgibt.

Die entscheidende Innovation lag in der Umsetzung eines zweiten Triebwerkskreises, dem By-Pass. Hierbei wird eine zweite Turbine im Abgasstrahl zum Antrieb eines großen Gebläses (Fan) genutzt. Dieses Gebläse beschleunigt eine zusätzliche Luftmasse in einem äußeren Kreis (Mantelstrom) um das Kerntriebwerk auf eine geringere Geschwindigkeit (circa 300 Meter pro Sekunde) als den Abgasstrahl. Gleichzeitig wird die Energie des Abgasstrahls und damit seine Schallabstrahlung reduziert. Das Verhältnis zwischen der Luftmasse im Mantelstrom und der Luftmasse im Abgasstrahl wird als Nebenstrom- oder Bypassverhältnis bezeichnet. Modernere Triebwerke, wie beispielsweise das Rolls-Royce Trend 1000 der Boeing 787 haben ein Bypassverhältnis von bis zu 11 [Trend1000]. Durch das hohe Nebenstromverhältnis wird in der gleichen Zeit eine erheblich größere Luftmasse mit einer geringeren mittleren Geschwindigkeit beschleunigt. Dadurch steigt die Vortriebseffizienz und die Lärmentwicklung sinkt . Die Hauptlärmquellen eines modernen Nebenstromtriebwerks (Abbildung 1 rechter Teil) sind nicht mehr der Abgasstrahl, sondern die internen Systemkomponenten wie das Gebläse (Fan - hellblau dargestellt), der Kompressor (dunkelblau) sowie Turbine und Schubrohr (rot). Hier besteht noch Optimierungspotential. [DoHe94; S. 312-316]

Neben der zuvor kurz benannten modernen Triebwerksentwicklung vom Triebwerkshersteller Rolls-Royce in seiner Trent-Baureihe, bei der sie für die drei Systeme Nieder-, Mittel- und Hochdrucksystem drei ineinander verlaufende Wellen entwickelten, welche zu einer Rotierung im optimalen aerodynamischen Geschwindigkeitsbereich führen und somit unter anderem zur Lärmreduktion), bestehen auch weitere konkrete Beispiele von Technologieentwicklungen. [BDL23c] So hat der Triebwerkhersteller MTU Aero Engines und Pratt & Whitney einen Getriebefan entwickelt, welcher zwischen dem Niederdruckverdichter und dem Fan ein Getriebe besitzt. Der Fan rotiert somit wesentlich langsamer als Verdichter und Turbine, da sowohl der Fan als auch der Verdichter sowie die Turbine jeweils in ihrem optimalen Drehzahlbereichen arbeiten können. Es entstehen hochfrequente Töne, welche vom menschlichen Gehör teilweise nicht wahrgenommen und zudem von der Luft stärker gedämpft werden können. In der Abbildung 2 ist ein Vergleich der Schallemission zwischen einem Flugzeug mit und ohne Getriebefan am Flughafen in München dargestellt. Durch den Einsatz des Getriebefans kann der Lärmteppich während des Starts im Flughafenumfeld um bis zu 70 Prozent gesenkt werden. [BDL23c]
fluggeraeusche start.jpgAbb. 2: Reduktion der Lärmemissionen durch den Einsatz von Getriebefans am Flughafen in München [BDL23c] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Glossar
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Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Emissionen im Luftverkehr (Stand des Wissens: 14.07.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?20489
Literatur
[BDL23c] Weniger Lärm an den Triebwerken, 2023
[DoHe94] Matschat, K.; , Müller, E.-A.;, Obermeier, F.;, Dobrzynski , Werner , Dr., Heller, H., Dr.-Ing., Neuwerth , Günther, Dr.-Ing., Schultz, K.-J., Dr-Ing., Splettstoesser, Wolf, Dr-Ing. Fluglärm, veröffentlicht in Taschenbuch der Technischen Akustik , Ausgabe/Auflage 2. Auflage, Springer-Verlag / Berlin, Heidelberg, 1994, ISBN/ISSN ISBN 3-540-54473-9
[Hols01] Holste, Fredi, Dr. Lärmminderung am Triebwerk - Technische und betriebliche Aspekte, veröffentlicht in DGLR-Workshop 2001 - Reduzierung des Fluglärms: Was sind die Ziele und die Grenzen der Machbarkeit?, 2001
[Koch03] Hecht, Karl; , Heinrich, Christian; , Seebohm, Eckhard, Dr.; , Schmidt, Thilo; , Erbguth, Wilfried, Prof. Dr.; , Müller, Werner; , Schulte, Martin, Prof. Dr.; , Schulze-Fielitz, Helmuth, Prof. Dr.; , Richter, Helmut, Dr.-Ing.; , Pache, Eckhard, Prof. Dr.; , Fisahn, Andreas, PD Dr.; , Wieneke, Annette, Ass. iur.; , Wysk, Peter, Dr.; , Bayr, Michael, Dipl.-Ing., Beckers, Joachim Hans, Dipl.-Ing., Dobrzynski , Werner , Dr., Koch, Hans-Joachim, Prof. Dr. iur., Maschke, Christian, Prof. Dr.-Ing., Mevenkamp, Andreas Umweltprobleme des Luftverkehrs, Nomos Verlagsgesellschaft / Baden-Baden, 2003
[Trend1000] Rolls-Royce Deutschland Ltd & CO KG Trent 1000 Optimised for Boeing 787 Dreamliner Family, 2011
Weiterführende Literatur
[Ruij93] Ruijgrok, Gerrit J. J. Elements of Aviation Acoustics, Delft University Press / Delft (NL), 1993, ISBN/ISSN ISBN: 90-6275-899-1
Glossar
dB(A) Messgröße des A-bewerteten Schalldruckpegels zur Bestimmung von Geräuschpegeln. Die dB-Skala ist logarithmisch aufgebaut, d. h. eine Verdoppelung der Lärmintensität führt zu einer Erhöhung um 3 dB. Das menschliche Ohr empfindet eine Erhöhung um 10 dB als Verdoppelung der Lautstärke. Hierzu ist eine Schallintensitätsverzehnfachung erforderlich. Der Zusatz "(A)" gibt an, dass dem betreffenden Messergebnis die standardisierte A-Berwertungskurve zugrunde liegt. Sie berücksichtigt einen nichtlinearen frequenz- und pegelabhängigen Zusammenhang zwischen subjektiv wahrgenommenem Läutstärkepegel und vorliegendem Schalldruckpegel. So empfindet das menschliche Gehör bspw. mittlere Frequenzen im Vergleich zu niedrigen Frequenzgängen als wesentlich lauter, weshalb die Einheit dB(A) entsprechende Tonhöhen stärker gewichtet. Ein gesundes Ohr kann bereits einen Schalldruck von 0 dB (A) wahrnehmen (Hörschwelle), bei Werten über 120 dB (A) wird die Geräuschbelastung unerträglich laut (Schmerzgrenze). Eine Langzeiteinwirkung von über 85 dB(A) zieht u. U. dauerhafte Gehörschäden nach sich.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?19497

Gedruckt am Mittwoch, 28. Februar 2024 21:17:17