Interaktionen zwischen Propellern bei verteilten Antrieben mit einer Hochauftriebskonfiguration

Abstract

Im Vorhaben InPAH wurden aerodynamische Interaktionen zwischen mehreren eng gekoppelten Propellern und einem Flügel in einer Hochauftriebskonfiguration für Anwendungen mit verteilten Antrieben (Distributed Propulsion, DP) untersucht. Verteilte Antriebe besitzen zwar ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Gesamteffizienz und damit zur Reduktion von Emissionen, die zugrunde liegenden Wechselwirkungen zwischen den Propellern, Propeller und Flügel sowie Flügel und Propeller sind jedoch bislang nur unvollständig verstanden und nur eingeschränkt vorhersagbar. InPAH schließt diese Lücke, indem es hochaufgelöste numerische Untersuchungen mit einer umfangreichen experimentellen Messkampagne verknüpft. Im Zentrum des Projekts stand eine Windkanalmesskampagne, bei der Anstellwinkel, Reynoldszahl, Schublevel, Klappenwinkel und Propellerpositionen systematisch variiert wurden. Zusätzlich wurden neu entwickelte Propeller- und Klappendesigns zur Steigerung der Systemeffizienz getestet. Mithilfe von Mehrkomponentenwaagen, Druckmessstellen am Flügel und zeitauflösender Drucksensorik an Flügel und Propeller konnten sowohl integrale Kräfte und Momente als auch lokale aerodynamische Effekte hochaufgelöst erfasst werden. Begleitende numerische Simulationen, von Parametervariationen mit RANS-Methoden bis hin zu hybride nRANS/LES-Rechnungen, erweiterten hierbei den möglichen Parameterraum und erlaubten die Untersuchung weiterer Details, die nicht durch die experimentelle Messtechnik abgedeckt waren. Die Ergebnisse zeigen, dass der durch den Propellerstrahl erzeugte zusätzliche Auftrieb in engem Zusammenhang mit der eingebrachten Leistung des Propellers steht und dass mit DP-Konfigurationen sowohl deutliche Auftriebssteigerungen als auch größere erreichbare Anstellwinkel als beim isolierten Flügel möglich sind. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass günstig unter und vor dem Flügel positionierte Propeller zwar zu Wirkungsgradgewinnen des Propellers führen, dies jedoch mit aerodynamischen Nachteilen am Flügel verbunden sein kann. Zudem zeigen die Ergebnisse aber, dass weder ein speziell ausgelegter DP-toleranter Propeller mit homogenisiertem Nachlauf noch eine differentiell ausschlagbare Hinterkantenklappe zu einem Gewinn im Gesamtwirkungsgrad des Systems führen. Der im Projekt erzeugte experimentelle Datensatz stellt eine belastbare Grundlage für das physikalische Verständnis, die Validierung numerischer Methoden und die zukünftige Auslegung von DP-Konfigurationen dar. In the InPAH project, aerodynamic interactions between multiple closely coupled propellers and a wing in a high-lift configuration are investigated for distributed propulsion (DP) applications. Although distributed propulsion offers considerable potential to increase overall efficiency and thereby reduce emissions, the underlying interactions between neighboring propellers, between propellers and wing, and between wing and propellers are still only partially understood and can be predicted only to a limited extent. InPAH closes this gap by combining high-resolution numerical investigations with an extensive experimental measurement campaign. At the core of the project is a wind tunnel test campaign in which angle of attack, Reynolds number, thrust level, flap angle, and propeller positions are systematically varied. In addition, newly developed propeller and flap designs aimed at increasing system efficiency are tested. Using multi-component balances, pressure taps on the wing, and time-resolved pressure sensors on the wing and propeller, both integral forces and moments as well as local aerodynamic effects are captured at high resolution. Accompanying numerical simulations, ranging from parameter variations with RANS methods to hybrid nRANS/LES computations, expand the accessible parameter space and make it possible to investigate further details not covered by the experimental measurement techniques. The results show that the additional lift generated by the propeller slipstream is closely related to the power input of the propeller, and that DP configurations can achieve both significant lift increases and higher attainable angles of attack than an isolated wing. At the same time, it is shown that propellers positioned favorably below and in front of the wing can lead to propeller efficiency gains, although this may be associated with aerodynamic disadvantages for the wing. In addition, the results show that neither a specially designed DP-tolerant propeller with a homogenized wake nor a differentially deflectable trailing-edge flap leads to an increase in the overall efficiency of the system. The experimental dataset generated in the project provides a robust foundation for physical understanding, the validation of numerical methods, and the future design of DP configurations.