Propeller mit Blattspitzenantrieb: mathematische Grundlagen

Hallo,
ich war mir nicht sicher wo meine Frage am besten hin passt, daher habe ich sie erstmal unter Allgemeines gepostet.

Ganz grob zusammengefasst geht es mir um Folgendes:
Ich möchte den Schub eines Propellers berechnen, der von einem Blattspitzenantrieb auf Touren gebracht wird.

Meiner Ansicht nach sollte man dieses Problem in 2 Aufgaben unterteilen können:

1. Berechnung der Drehzahl die sich für ein bestimmtes Drehmoment einstellt. (ob dieses Drehmoment von einem Blattspitzenantrieb oder einem Motor erzeugt wird ist ja erstmal wurscht)

2. Berechnung des vom Propeller erzeugten Schubs für eine gegebene Drehzahl


Mein Hauptproblem dabei ist, daß in beide Berechnungen sicherlich einige weitere Größen eingehen, nämlich Anzahl, Länge und Breite der Blätter, sowie deren Profil (symmetrisch) und Anstellwinkel (360° verstellbar).

Ich gehe mal davon aus, daß beim Anstellwinkel nur der Bereich von 0-90° betrachtet werden muss, denn bei anderen Anstellwinkeln sollte sich ja allenfalls die Richtung des Schubs ändern (also der Betrag des Schubs müsste z.B. bei 45°, 135°, 225° und 315° gleich sein). Außerdem ist klar daß der Schub sowohl bei 0° als auch bei 90° gleich 0 ist, aber wird der maximale Schub damit automatisch bei 45° erreicht? Ich kanns mir nicht so recht vorstellen.

Und wie berechne ich die Drehzahl? Dazu muss ich ja erstmal den Luftwiderstand des Propellers wissen, der ja wohl auch wieder von sämtlichen aufgezählten Größen abhängt (wobei dieser bei einem Anstellwinkel von 0° minimal und bei 90° maximal sein dürfte).


Ich hoffe ihr könnt mir dabei helfen

Blattspitzenantrieb bei einem Propeller ist nicht sinnvoll. Selbst bei Hubschrauberrotoren konnte sich das Prinzip nicht durchsetzen.

Vielleicht helfen Dir Unterlagen von Firmen weiter, welche Hubschrauber mit Blattspitzenantrieb produziert haben?

Jürgen

Hallo HMPF,
Du musst Dir ein Programm zur Auslegung von Propellern besorgen und deine Daten eingeben.
Für den Anfang reicht das Programm Proppy von Martin Hepperle. (Siehe seine homepage mh-aerotools.de).
Die Propeller werden in dimensionslosen Beiwerten beschrieben, Schubbeiwert, Leistungsbeiwert usw.
Wie Du schon erwähnt hast, ist es bis auf Kleinigkeiten egal, ob Du das Drehmoment über die zentrale Kurbelwelle oder über einen Schub* Hebelarm außen am Propeller aufbringst.
Ich nehme mal an, die Anwendung ist theoretisch und ist dem Hubschrauberrotor sehr nahe.
Jürgen: Blattspitzenantriebe waren nach meiner Meinung rein technisch erfolgreich! Es gibt auch mehr ferngesteuerte Koaxe als bemannte. Sind die RC Koaxe deshalb schlecht?
Falls Du weitere Fragen hast, kannst Du mich auch anmailen.
Viel Erfolg,

Otto

speed schrieb:

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Jürgen: Blattspitzenantriebe waren nach meiner Meinung rein technisch erfolgreich! Es gibt auch mehr ferngesteuerte Koaxe als bemannte. Sind die RC Koaxe deshalb schlecht?
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Technisch machbar? Ja.
Technisch erfolgreich? Nein.

Wo liegen die Vorteile des Koax-Rotors, wo die Nachteile? Wenn Du darüber nachdenkst, wird Dir schnell klar werden warum der Koax in der "richtigen" Hubschrauberfliegerei kaum verwendet wird.

Jürgen

Hallo,

erstmal danke für eure Antworten, leider hatte ich kaum Zeit mich in das doch recht komplexe Programm einzuarbeiten, ich denke da muss ich mir noch einiges an Hintergrundwissen aneignen bevor ich wirklich damit umgehen kann.

Ich nehme mal an, die Anwendung ist theoretisch und ist dem Hubschrauberrotor sehr nahe.

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Erstmal ja, aber ich hoffe natürlich daß es nich nur bei grauer Theorie bleiben wird

Ich denke ich sollte mal genauer beschreiben was ich eigentlich machen möchte, denn falls ihr mir gleich sagt daß das so nicht klappen kann, hätten sich sämtliche aufwendigen Berechnungen damit gleich erledigt.

Also, letztendlich soll es ein Tricopter werden dessen Ausleger mit den Rotoren man per Servo schwenken kann um das entstehende Drehmoment auszugleichen, bis hierhin also erstmal nichts exotisches. Nun könnte man ja auf die Idee kommen die Rotoren deutlich weiter zu schwenken als zum Drehmomentausgleich notwendig wäre (oder gleich in die entgegengesetzte Richtung), dann würde sich der ganze Tricopter drehen wie ein Brummkreisel - oder eben wie ein Rotor. Hätten die Ausleger wiederum ein Profil wie eine Tragfläche (bzw. ein Rotorblatt), dann würde in diesem Fällen Schub nach unten erzeugt, wobei ich davon ausgehen würde daß dieser bei einem Anstellwinkel von 45° maximal sein sollte (dazu kommt ja auch noch der nach unten wirkende Teil des Schubs direkt von den 3 Rotoren).

Die zentrale Frage die sich dabei stellt ist: bringt das was?

Es wäre halt mal interessant wenn sich der Tricoper auch bei einem relativ großen Anstellwinkel noch in der Luft halten könnte, quasi wie ein großer fliegender Rotor, und das natürlich möglichst ohne sehr viel mehr Energie zu verbrauchen als im normalen Flug.

Im Endeffekt soll das Tragflächen-Profil also einfach nur einen Teil des Schubs wiederherstellen der bei einem großen Anstellwinkel "verloren geht", denn ohne diese Maßnahme bräuchte man ja erheblich leistungsfähigere Motoren um auch in diesem Fall noch schweben zu können.


Was meint Ihr...
machbar bzw. sinnvoll, oder eher doch nicht?

Hmpf schrieb:

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dann würde sich der ganze Tricopter drehen wie ein Brummkreisel - oder eben wie ein Rotor.
...
Was meint Ihr...
machbar bzw. sinnvoll, oder eher doch nicht?

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Und wie soll das Teil dann noch gesteuert werden? Bei einem Quadrocopter werden in der Regel Ausleger oder Rotoren farblich markiert, denn steuern ist nur möglich, wenn Du weißt wo vorne und hinten ist.

Zumindest wissen wir jetzt, dass Du nicht nach einem Blattspitzenantrieb im üblichen Sinne gefragt hast.

Jürgen

Da müsstest Du Dich entscheiden, ob die Hubkraft von den Blattspitzenrotor kommen soll, oder vom rotierenden Gestell. Wenn ersteres, dann decken die einen grossen Teil der Grundfläche ab und das Gestell operiert grösstenteils in ihrem Downwash. Keine guten Voraussetzungen für einen effizienten Flügel. Wenn letzteres, dann wird es vermutlich mit der Hubkraft der Blattspitzenantriebe allein knapp.

Und wie soll das Teil dann noch gesteuert werden? Bei einem Quadrocopter werden in der Regel Ausleger oder Rotoren farblich markiert, denn steuern ist nur möglich, wenn Du weißt wo vorne und hinten ist.

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Das wäre ja noch das geringste Problem, da das Teil eh mindestens einen Mikrocontroller braucht (und der kann im Zweifelsfall auch die Steuerbefehle in irgendein anderes Koordinatensystem umrechnen). Schwieriger stelle ich es mir vor in diesem Fall überhaupt irgendwie zu steuern, denn über den Schub der 3 Rotoren gehts wohl nicht da das mit Sicherheit zu träge sein wird. Das bedeutet man müsste mit Hilfe der Servos steuern, die zum Schwenken der Rotoren verwendet werden. Dazu müssten die dann aber auch wieder extrem schnell sein, denn sie müssten den Anstellwinkel ja innerhalb einer Umdrehung wenigstens um ein paar ° ändern können, damit das Gestell auf einer Seite mehr Schub erzeugt als auf der anderen...

Da müsstest Du Dich entscheiden, ob die Hubkraft von den Blattspitzenrotor kommen soll, oder vom rotierenden Gestell. Wenn ersteres, dann decken die einen grossen Teil der Grundfläche ab und das Gestell operiert grösstenteils in ihrem Downwash. Keine guten Voraussetzungen für einen effizienten Flügel. Wenn letzteres, dann wird es vermutlich mit der Hubkraft der Blattspitzenantriebe allein knapp.

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Normalerweise, also wenn man den Tricopter auch als solchen fliegt und nicht als fliegenden Rotor, müssen natürlich die 3 Blattspitzen-Rotoren das gesamte Gewicht (+ vielleicht ein bischen Nutzlast) tragen können...
Wenn man die dann aber schwenkt wird es sicherlich einen fließenden Übergang geben, denn der Anteil der Hubkraft von den Rotoren direkt wird immer geringer, während das Gestell immer mehr Schub erzeugt. Ein Traum wäre natürlich, wenn die Hubkraft bei einer Änderung des Anstellwinkels annähernd konstant bleiben würde, aber es würde mich wundern wenn das tatsächlich machbar wäre.

Hmpf schrieb:

Das wäre ja noch das geringste Problem, da das Teil eh mindestens einen Mikrocontroller braucht (und der kann im Zweifelsfall auch die Steuerbefehle in irgendein anderes Koordinatensystem umrechnen). ...

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Was nützt eine Umrechnung, wenn der Pilot nicht mehr weiß wo vorne und hinten ist?

Jürgen

Naja, kommt ganz auf das gewählte Koordinatensystem an...

im einfachsten Fall könnte man etwa definieren daß "vorne" immer Norden ist.

Oder aber man lässt vom Mikrocontroller gleich Richtung und Abstand zum Piloten berechnen, dann wäre ein polares Koordinatensystem denkbar mit dem Piloten im Nullpunkt, so daß "vorne" z.B. immer "vom Piloten weg" bedeutet. Das wäre dann auch gleich sehr schön intuitiv zu steuern, denn vom Piloten aus betrachtet würde der Tricopter - völlig unabhängig von seiner tatsächlichen Orientierung im Raum - immer genau in die Richtung fliegen in die man den Knüppel bewegt.

Gruß,
Felix

speed schrieb:

Hallo HMPF,

Jürgen: Blattspitzenantriebe waren nach meiner Meinung rein technisch erfolgreich!

Otto

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Hallo Otto, kann ich eigentlich auch nicht glauben. Selbst wenn man die technischen Probleme (Motoren bei hoher Kreisbeschleunigung, Stromübertragung durch Schleifringe) ausser Acht lässt, ist doch die Regel, das zumindest Propeller um so wirksamer arbeiten, je grösser und langsamer sie sind.
Diese Regel würde doch gröblich verletzt?

Aber als tech. Spielerei, warum nicht.

Gruß Werner am NO-Kanal

Nachgeschlagen

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Hallo Hmpf und die anderen Beitraggeber.
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Diese Thema wurde hier bei bereits am 07.08.2007 schon einmal als Beitrag eingebracht,

vielleicht hilft der Link dazu, schau mal rein...
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http://www.rc-network.de/forum/showthread.php?t=76640&page=2
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http://de.wikipedia.org/wiki/Blattspitzenantrieb
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http://www.flightforum.ch/forum/printthread.php?t=27290&pp=40
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Gruss
BIGJIM