Verstellpropeller ??
Was ist das überhaupt und wozu soll so etwas nützlich sein, ist wohl die am meisten gestellte Frage, wenn dieses Thema angesprochen wird.
Ein verstellbarer Propeller gibt uns die Möglichkeit, für verschiedene Fluggeschwindigkeiten und entsprechenden Schub oder Leistungsbedarf unseren Antrieb zu optimieren.
Ähnlich wie beim Auto die Gangschaltung für steile Bergfahrten oder zum Anfahren, und auf der Autobahn für max Geschwindigkeit.
Aber nur ähnlich, denn beim Auto wird nur die Antriebsdrehzahl am Rad geändert. Bei einem Flugzeug dreht der Prop immer die gleiche Lastdrehzahl während die Steigung verstellbar ist.
Wie sinnvoll so etwas ist möchte ich in diesem Bericht erleutern.
Welche Art der Verstellung hängt sehr vom verwendeten Antrieb und unserer Zielsetzung ab.
Es gibt:
a) Gummimotore. b) Verbrennungsmotore. c) Elektromotore.
Zu a ) Am meisten verbreitet sind bis jetzt wohl automatische Props für Wacefield- oder Saalflugmodelle. Das sind Modelle mit Gummimotor, die ein ständig fallendes Drehmoment aufweisen. Um diese Modelle nicht senkrecht steigen zu lassen, sondern möglichst lange Flugzeiten zu erzielen, verlegt man die Befestigungsachse der Blätter nicht bei 25% der Blatttiefe, und macht sie auch nicht torsionsfest, sondern verlagert diese Achse sehr weit an die „Endleiste“ des Blattes. Dadurch verdreht das Blatt sich positiv durch das hohe Anfangsdrehmoment des Gummis, erzeugt weniger Schub und lässt das Gummi nicht so schnell ablaufen. Fällt das Drehmoment während des Fluges nun ab, verringert sich die Steigung und der Schub bleibt längere Zeit in etwa gleich. Der Propdurchmesser muß dafür sehr groß gewählt werden und erreicht fast die Spannweite des Modells. Die besten Saalflieger schaffen so bis zu einer Stunde „Motorflugzeit“, während „Spielzeugmodelle“ meist nur 10 bis 30 sek in ihrem Element bleiben.
Zu b) Verbrenner werden in der Haubtsache in Hubschraubern zum Antrieb des oder der Rotoren eingesetzt. Sie arbeiten meist mit konstanter Drehzahl durch elektronische Steuerung, und werden nur bei extremen Steigflügen und hohen Fluggeschwindigkeiten, bis zum maximalen Drehmoment ausgelastet. Die Drehzahl fällt nur bei zu hoher Pitcheinstellung und es schadet dem Antrieb eigentlich nicht. Seit ein paar Jahren laufen auch Versuche mit Senkrechtstartern nach dem Osprey Projekt, die sehr weit fortgeschritten sind. Im Forum bei Exmodellbau unter Kipprotor war hier auch dieses Thema angesprochen worden. Das Problem dabei sind meiner Meinung nach die Rotorblätter die richtige Propellerblätter sein müssen, denn nur damit kann eine ausreichende Fluggeschwindigkeit erreicht werden. Da sie aber für den Schwebeflug ungeeignet sind, und die verwundenen Blätter sehr viel Widerstand, und darum erhöten Leistungsbedarf haben, wirkt der Antrieb dann untermotorisiert. Nur, leicht, oder lineargeschränkte Blätter haben dieses Problem dann im Horizontalflug.Das aber ist eigenlich das Ziel des Projektes, das da heisst „Hohe Fluggeschwindigkeit horizontal“ und „Senkrechtes Starten und Landen“.
Ein Bekannter aus Östereich baut einen „Osprey“ mit 16 kg Gewicht der von einem Zentralmotor angetrieben wird und bis jetzt im „Hubschraubermodus“ sehr gut und sicher fliegt. Für den „Flugzeugmodus“ reicht die Fluggeschwindigkeit offensichtlich noch nicht aus. Die gegenläufigen Propeller werden dabei wie normale Rotorblätter angesteuert!
Zu c) Elektromotoren mit Verstellpropeller.
Das ist die Antriebsvariante die prädestiniert ist um Verstellprops anzutreiben und damit zu Experimentieren.
Propeller mit „normaler Größe“ die bei voller Drehzahl den Motor gerade „voll“ belasten, benötigen keine Verstellung, denn Sie können über die Drehzahl ausreichend geregelt werden und damit auch die Fluggeschindigkeit regeln.
Will man aber große „Scale“ Props antreiben die mit gedrosselter Steigung für Start, Steigflüge und bei der Landung einen höheren Schub liefern sollen, ist es ratsam und sinnvoll eine Verstellmöglichkeit einzubauen.
Eine automatische Verstellung durch das Drehmoment des Antriebs wäre die einfachste und sicherste Lösung, denn der Pilot kann durch falsches oder unüberlegtes Verstellen keinen Schaden anrichten.
Die Drehkräfte des Antriebs müssen dazu über die Achse, durch den Prop nach vorne in Flugrichtung, geleitet werden um dort das Drehmoment über Steuerarme gleichzeitig auf alle Blätter zu übertragen. Die Blätter werden drehbar auf einem Segment gelagert, welches auch wieder drehbar auf der Antriebswelle sitzt. Die Blätter brauchen eine federnde Rückhaltung in Form einer Feder oder Gummipuffer, die die Blätter auf maximale Steigung halten. Das muß aber so elastisch sein, dass der Motor ohne Überlastung die volle Drehzahl erreichen kann. Geschieht das nicht, läuft der Antrieb mit schlechterem Wirkungsgrad, wenn die Drehzahl abgeregelt und der Motorstrom noch, oder schon, am Maximum ist!!
Ist das Modell gestartet und im Horizontalflug, entlastet das den Antrieb, und Feder oder Gummipuffer erhöhen die Steigung, und dadurch auch die Fluggeschwindigkeit. Je nach Flugstil kann die Federung weicher oder härter eingestellt werden. Durch die Verstellung verspricht die Sache mehr Schub beim Start, und höhere Fluggeschwindigkeit im Horizontal- und Bahnneigungsflug!
Noch aufwendiger ist die ferngesteuerte Verstellung und bedarf einiger grundsätzlicher Überlegungen.
Ich habe diese Verstellung in meiner großen P 61, die in Aspach ihren ersten Start machte verwendet, und möchte meine Erfahrungen, die Konsequenzen und weiteren Überlegungen hier einmal schriftlich darstellen!
Die verwendeten Komponenten sind 2 Motoren Ultra 3300 mit 10 Windungen, um bei relativ niedrigen Strömen schon hohe Drehmomente zu haben. Nach der Leistungstabelle die von Graupner mitgeliefert wird, leistet jeder Motor an 30 V bei 30 A etwa 730 W Wellenleistung und dreht 9710 U/min mit einem Drehmoment von 71,5 N/cm. Das Getriebe 5:1 verstärkt es weiter auf 357,5 N/cm und senkt die Drehzahl auf 1940 U/min und treibt einen 4 Blattprop mit 72 cm Durchmesser an, dessen Steigung bis auf 100 cm verstellt werden kann.
Bei geringer Steigung, und 0° im Blattspitzenbereich an gerader Unterseite des Blattes, zog ein Motor immerhin schon 10 A an 28 Zellen und der Schub reichte um das 20 kg schwere Modell zügig durch eine normale Wiese mit (strammem Fussgängertempo) zu ziehen. Dabei hatte ich den Schub leider nicht gemessen!
Bei Standläufen wurden die beiden Antriebe dann bei voller Spannung, am Pitchservo auf gleiche Stromaufnahme im 30 A Bereich eingestellt. Folgende Schubmessungen ergaben bis
6 kg pro Antrieb bei einer Steigung von etwa 50 cm, während die Amperemeter schon mit
40 A liebäugelten, ein weiteres Erhöhen der Steigung ließ ab 6,5 kg nur den Strom bis auf
48 A ansteigen und die Luftgeräusche des Props wiesen auf Strömungsabriss hin. Bei allen Standläufen liess die Restentladung der beiden getrennten Akkus auf sehr guten Gleichlauf schließen.
Der Stromverbrauch war allerdings enorm.
Aber mit 12 kg Gesamtschub bei 15 bis 16 m/sek müßte es kein Problem sein, das große Modell bei 65 g Flächenbelastung zu einem sicheren Steigflug zu veranlassen.
Beim ersten Start in Aspach beschleunigte die P 61 dann auch rasant und stieg nach vorsichtigem ziehen ganz flach weg. Durch die enorme Größe mit über 3 m Länge sah alles sehr langsam aus und veranlasste den Piloten sie nicht an die Latte zu hängen. Am Flugbild, durch die horizontale Lage der Maschine, lässt sich aber erkennen, dass kein überzogener Flugzustand herrschte, sondern das Modell mit niedrigem Anstellwinkel ausreichende Fluggeschwindigkeit hatte.
Durch einseitiges ziehen der Maschine was mit Seitenruder ausgeglichen werden mußte, und Leistungsmangel vom Antrieb her, mußte nach 2,5 min schon gelandet werden.
Eine Restentladung mit 5 A ergaben: Akku 1 = 15% Rest und Akku 2 = 40% Rest. Wie ist das zu erklären??
Der Unterschied ist immerhin 25% = 1/4 der Kapazität was sehr bedenklich ist.
Da Motor und Regler keinen bleibenden Schaden aufweisen bleibt eigendlich nur die Überhitzung von Motor und Regler, zumindest bei einem Antrieb, mit darauffolgendem Abregeln, sodass noch 40% im Akku verblieben. Der 2. Antrieb hat diesen Punkt scheinbar nicht erreicht und hat durchgepowert! Aus diesem Grund zog das Modell dann zu einer Seite!
Die Konsequenz aus diesen Erkenntnissen sind:
1. Eine Getriebeänderung auf 6 : 1 !!
2. Die Motoren werden zwangsentlüftet um die warme Luft im Innern durch kalte zu ersetzen. 3 . Die Regler, die für 50 A ausgelegt sind, bekamen einen eigenen Kühlkanal!!
Die getrennte Regelung von Motor und Pitch hat sich leider als Falle herausgestellt. Sie konnten bei max Pitch abgeregelt werden und mußten dann mit niedriger, gepulster Spannung und unverhältnismäßig hohem Strom fertig werden!!
Dass dann der Wirkungsgrad in den Keller geht und Motor sowie Regler dicke Backen bekommen hatte ich vorher nicht bedacht!!
Diese Erkenntnis veranlasst mich nun beide Steuerungen auf einen Knüppel zu legen, um solche Fehleinstellungen während eines Fluges zu vermeiden.
Die Programierung soll nun Motor und Regler gleichzeitig hochfahren. Bis zur Knüppelmitte soll der Motor die volle Spannung erreichen, und durch Pitch bis auf 30 A belastet werden, damit müßte dann der maximale Schub erreicht sein. Beim weiteren Gasgeben kommt dann weiter Pitch dazu!!
Selbst bei dieser Programmierung muß der Pilot sehr diszipliniert mit dem Gas umgehen, denn er kann immer noch das System durch „Knüppel auf Vollgas“ überlasten. Das Problem der (versehentlichen Überlastung bei niedriger Spannung) ist damit ausgeschlossen.
Wünschenswert ist ein Regler, der über einen zweiten Ausgang das Pitchservo abregeln würde. Dadurch ist der Pilot dann entlastet!!
Eine Servo- Regler- Kombination mit zwei Eingängen, ähnlich wie „Einstein“ von MPX wäre denkbar, und ich dankbar!!
Das Problem bei der Sache ist die fehlende Information des Piloten über den Betriebszustand des Antriebs, denn er hat nur seine Knüppelstellungen und als Drehzahlmesser sein Gehör, das leider ausfällt wenn mehrere Modelle in der Luft sind.
Ein Vario das statt der Empfängerspannung die Stromwerte durchsagt ist in diesem Fall nützlicher!!
Sobald es draußen wärmer wird gibt es dann neue Daten, denn im Haus hebt bei 12 kg Schub das Mobiliar ab!!
Grüße Aloys
Gehirnschmalz verwenden oder ist die Erde doch eine Scheibe??
Was ist das überhaupt und wozu soll so etwas nützlich sein, ist wohl die am meisten gestellte Frage, wenn dieses Thema angesprochen wird.
Ein verstellbarer Propeller gibt uns die Möglichkeit, für verschiedene Fluggeschwindigkeiten und entsprechenden Schub oder Leistungsbedarf unseren Antrieb zu optimieren.
Ähnlich wie beim Auto die Gangschaltung für steile Bergfahrten oder zum Anfahren, und auf der Autobahn für max Geschwindigkeit.
Aber nur ähnlich, denn beim Auto wird nur die Antriebsdrehzahl am Rad geändert. Bei einem Flugzeug dreht der Prop immer die gleiche Lastdrehzahl während die Steigung verstellbar ist.
Wie sinnvoll so etwas ist möchte ich in diesem Bericht erleutern.
Welche Art der Verstellung hängt sehr vom verwendeten Antrieb und unserer Zielsetzung ab.
Es gibt:
a) Gummimotore. b) Verbrennungsmotore. c) Elektromotore.
Zu a ) Am meisten verbreitet sind bis jetzt wohl automatische Props für Wacefield- oder Saalflugmodelle. Das sind Modelle mit Gummimotor, die ein ständig fallendes Drehmoment aufweisen. Um diese Modelle nicht senkrecht steigen zu lassen, sondern möglichst lange Flugzeiten zu erzielen, verlegt man die Befestigungsachse der Blätter nicht bei 25% der Blatttiefe, und macht sie auch nicht torsionsfest, sondern verlagert diese Achse sehr weit an die „Endleiste“ des Blattes. Dadurch verdreht das Blatt sich positiv durch das hohe Anfangsdrehmoment des Gummis, erzeugt weniger Schub und lässt das Gummi nicht so schnell ablaufen. Fällt das Drehmoment während des Fluges nun ab, verringert sich die Steigung und der Schub bleibt längere Zeit in etwa gleich. Der Propdurchmesser muß dafür sehr groß gewählt werden und erreicht fast die Spannweite des Modells. Die besten Saalflieger schaffen so bis zu einer Stunde „Motorflugzeit“, während „Spielzeugmodelle“ meist nur 10 bis 30 sek in ihrem Element bleiben.
Zu b) Verbrenner werden in der Haubtsache in Hubschraubern zum Antrieb des oder der Rotoren eingesetzt. Sie arbeiten meist mit konstanter Drehzahl durch elektronische Steuerung, und werden nur bei extremen Steigflügen und hohen Fluggeschwindigkeiten, bis zum maximalen Drehmoment ausgelastet. Die Drehzahl fällt nur bei zu hoher Pitcheinstellung und es schadet dem Antrieb eigentlich nicht. Seit ein paar Jahren laufen auch Versuche mit Senkrechtstartern nach dem Osprey Projekt, die sehr weit fortgeschritten sind. Im Forum bei Exmodellbau unter Kipprotor war hier auch dieses Thema angesprochen worden. Das Problem dabei sind meiner Meinung nach die Rotorblätter die richtige Propellerblätter sein müssen, denn nur damit kann eine ausreichende Fluggeschwindigkeit erreicht werden. Da sie aber für den Schwebeflug ungeeignet sind, und die verwundenen Blätter sehr viel Widerstand, und darum erhöten Leistungsbedarf haben, wirkt der Antrieb dann untermotorisiert. Nur, leicht, oder lineargeschränkte Blätter haben dieses Problem dann im Horizontalflug.Das aber ist eigenlich das Ziel des Projektes, das da heisst „Hohe Fluggeschwindigkeit horizontal“ und „Senkrechtes Starten und Landen“.
Ein Bekannter aus Östereich baut einen „Osprey“ mit 16 kg Gewicht der von einem Zentralmotor angetrieben wird und bis jetzt im „Hubschraubermodus“ sehr gut und sicher fliegt. Für den „Flugzeugmodus“ reicht die Fluggeschwindigkeit offensichtlich noch nicht aus. Die gegenläufigen Propeller werden dabei wie normale Rotorblätter angesteuert!
Zu c) Elektromotoren mit Verstellpropeller.
Das ist die Antriebsvariante die prädestiniert ist um Verstellprops anzutreiben und damit zu Experimentieren.
Propeller mit „normaler Größe“ die bei voller Drehzahl den Motor gerade „voll“ belasten, benötigen keine Verstellung, denn Sie können über die Drehzahl ausreichend geregelt werden und damit auch die Fluggeschindigkeit regeln.
Will man aber große „Scale“ Props antreiben die mit gedrosselter Steigung für Start, Steigflüge und bei der Landung einen höheren Schub liefern sollen, ist es ratsam und sinnvoll eine Verstellmöglichkeit einzubauen.
Eine automatische Verstellung durch das Drehmoment des Antriebs wäre die einfachste und sicherste Lösung, denn der Pilot kann durch falsches oder unüberlegtes Verstellen keinen Schaden anrichten.
Die Drehkräfte des Antriebs müssen dazu über die Achse, durch den Prop nach vorne in Flugrichtung, geleitet werden um dort das Drehmoment über Steuerarme gleichzeitig auf alle Blätter zu übertragen. Die Blätter werden drehbar auf einem Segment gelagert, welches auch wieder drehbar auf der Antriebswelle sitzt. Die Blätter brauchen eine federnde Rückhaltung in Form einer Feder oder Gummipuffer, die die Blätter auf maximale Steigung halten. Das muß aber so elastisch sein, dass der Motor ohne Überlastung die volle Drehzahl erreichen kann. Geschieht das nicht, läuft der Antrieb mit schlechterem Wirkungsgrad, wenn die Drehzahl abgeregelt und der Motorstrom noch, oder schon, am Maximum ist!!
Ist das Modell gestartet und im Horizontalflug, entlastet das den Antrieb, und Feder oder Gummipuffer erhöhen die Steigung, und dadurch auch die Fluggeschwindigkeit. Je nach Flugstil kann die Federung weicher oder härter eingestellt werden. Durch die Verstellung verspricht die Sache mehr Schub beim Start, und höhere Fluggeschwindigkeit im Horizontal- und Bahnneigungsflug!
Noch aufwendiger ist die ferngesteuerte Verstellung und bedarf einiger grundsätzlicher Überlegungen.
Ich habe diese Verstellung in meiner großen P 61, die in Aspach ihren ersten Start machte verwendet, und möchte meine Erfahrungen, die Konsequenzen und weiteren Überlegungen hier einmal schriftlich darstellen!
Die verwendeten Komponenten sind 2 Motoren Ultra 3300 mit 10 Windungen, um bei relativ niedrigen Strömen schon hohe Drehmomente zu haben. Nach der Leistungstabelle die von Graupner mitgeliefert wird, leistet jeder Motor an 30 V bei 30 A etwa 730 W Wellenleistung und dreht 9710 U/min mit einem Drehmoment von 71,5 N/cm. Das Getriebe 5:1 verstärkt es weiter auf 357,5 N/cm und senkt die Drehzahl auf 1940 U/min und treibt einen 4 Blattprop mit 72 cm Durchmesser an, dessen Steigung bis auf 100 cm verstellt werden kann.
Bei geringer Steigung, und 0° im Blattspitzenbereich an gerader Unterseite des Blattes, zog ein Motor immerhin schon 10 A an 28 Zellen und der Schub reichte um das 20 kg schwere Modell zügig durch eine normale Wiese mit (strammem Fussgängertempo) zu ziehen. Dabei hatte ich den Schub leider nicht gemessen!
Bei Standläufen wurden die beiden Antriebe dann bei voller Spannung, am Pitchservo auf gleiche Stromaufnahme im 30 A Bereich eingestellt. Folgende Schubmessungen ergaben bis
6 kg pro Antrieb bei einer Steigung von etwa 50 cm, während die Amperemeter schon mit
40 A liebäugelten, ein weiteres Erhöhen der Steigung ließ ab 6,5 kg nur den Strom bis auf
48 A ansteigen und die Luftgeräusche des Props wiesen auf Strömungsabriss hin. Bei allen Standläufen liess die Restentladung der beiden getrennten Akkus auf sehr guten Gleichlauf schließen.
Der Stromverbrauch war allerdings enorm.
Aber mit 12 kg Gesamtschub bei 15 bis 16 m/sek müßte es kein Problem sein, das große Modell bei 65 g Flächenbelastung zu einem sicheren Steigflug zu veranlassen.
Beim ersten Start in Aspach beschleunigte die P 61 dann auch rasant und stieg nach vorsichtigem ziehen ganz flach weg. Durch die enorme Größe mit über 3 m Länge sah alles sehr langsam aus und veranlasste den Piloten sie nicht an die Latte zu hängen. Am Flugbild, durch die horizontale Lage der Maschine, lässt sich aber erkennen, dass kein überzogener Flugzustand herrschte, sondern das Modell mit niedrigem Anstellwinkel ausreichende Fluggeschwindigkeit hatte.
Durch einseitiges ziehen der Maschine was mit Seitenruder ausgeglichen werden mußte, und Leistungsmangel vom Antrieb her, mußte nach 2,5 min schon gelandet werden.
Eine Restentladung mit 5 A ergaben: Akku 1 = 15% Rest und Akku 2 = 40% Rest. Wie ist das zu erklären??
Der Unterschied ist immerhin 25% = 1/4 der Kapazität was sehr bedenklich ist.
Da Motor und Regler keinen bleibenden Schaden aufweisen bleibt eigendlich nur die Überhitzung von Motor und Regler, zumindest bei einem Antrieb, mit darauffolgendem Abregeln, sodass noch 40% im Akku verblieben. Der 2. Antrieb hat diesen Punkt scheinbar nicht erreicht und hat durchgepowert! Aus diesem Grund zog das Modell dann zu einer Seite!
Die Konsequenz aus diesen Erkenntnissen sind:
1. Eine Getriebeänderung auf 6 : 1 !!
2. Die Motoren werden zwangsentlüftet um die warme Luft im Innern durch kalte zu ersetzen. 3 . Die Regler, die für 50 A ausgelegt sind, bekamen einen eigenen Kühlkanal!!
Die getrennte Regelung von Motor und Pitch hat sich leider als Falle herausgestellt. Sie konnten bei max Pitch abgeregelt werden und mußten dann mit niedriger, gepulster Spannung und unverhältnismäßig hohem Strom fertig werden!!
Dass dann der Wirkungsgrad in den Keller geht und Motor sowie Regler dicke Backen bekommen hatte ich vorher nicht bedacht!!
Diese Erkenntnis veranlasst mich nun beide Steuerungen auf einen Knüppel zu legen, um solche Fehleinstellungen während eines Fluges zu vermeiden.
Die Programierung soll nun Motor und Regler gleichzeitig hochfahren. Bis zur Knüppelmitte soll der Motor die volle Spannung erreichen, und durch Pitch bis auf 30 A belastet werden, damit müßte dann der maximale Schub erreicht sein. Beim weiteren Gasgeben kommt dann weiter Pitch dazu!!
Selbst bei dieser Programmierung muß der Pilot sehr diszipliniert mit dem Gas umgehen, denn er kann immer noch das System durch „Knüppel auf Vollgas“ überlasten. Das Problem der (versehentlichen Überlastung bei niedriger Spannung) ist damit ausgeschlossen.
Wünschenswert ist ein Regler, der über einen zweiten Ausgang das Pitchservo abregeln würde. Dadurch ist der Pilot dann entlastet!!
Eine Servo- Regler- Kombination mit zwei Eingängen, ähnlich wie „Einstein“ von MPX wäre denkbar, und ich dankbar!!
Das Problem bei der Sache ist die fehlende Information des Piloten über den Betriebszustand des Antriebs, denn er hat nur seine Knüppelstellungen und als Drehzahlmesser sein Gehör, das leider ausfällt wenn mehrere Modelle in der Luft sind.
Ein Vario das statt der Empfängerspannung die Stromwerte durchsagt ist in diesem Fall nützlicher!!
Sobald es draußen wärmer wird gibt es dann neue Daten, denn im Haus hebt bei 12 kg Schub das Mobiliar ab!!
Grüße Aloys
Gehirnschmalz verwenden oder ist die Erde doch eine Scheibe??