Antriebsauslegung Elektroschlepper

Dir dürfte besonders gefallen, dass ich die 16" x 16" B von freudenthaler als 3-Blatt mit im Test hatte.:)

Normalerweise sind meine Lieblingspropeller ja so was wie die 13" x 44,5" 5blatt!:cool:
 

Thomas Ziegert

Moderator
Teammitglied
Ich sags mal so, wenn man anhand der Messflüge/Messdaten den Propeller rechnerisch/simulativ optimieren möchte bekommt man das beste Ergebnis, wenn die Geometrie des optimierten Propellers nur eine skalierte Version des Testpropellers ist. Wenn beim Test eine Biela zum Einsatz kommt, ist die Aussage der Optimierung für eine Biela am genausten. Dann muss man nur max. zwei Propeller kaufen.

Ich würde eine Fiala E3 Elektro nehmen, die haben mit Abstand das größte Sortiment in Punkto Durchmesser und Steigungen. Wenn man z.B. von einer 26x12 auf eine 30x8 geht bringt es wenig wenn es diese Größe bei dem Hersteller nicht gibt.
Es geht hier glaube ich nicht darum nur den optimierten Propeller zu finden, sondern den kompletten Elektrontriebstrang zu optimieren. Motor und Regler werden da eher nicht so schnell getauscht, Props schon eher.

Nun ist zwar vielleicht die Biela aus deinem Beispiel maximal optimiert. Vielleicht bringt die Fiala aber gleichen Schub und Strahlgeschwindigkeit, aber bei weniger Ampere und wäre damit wieder besser.

Mir scheint dein rechnerischer Optimierungsansatz zwar richtig zu sein, aber irgendwie greift er mir zu kurz oder ist zu „eindimensional“ (mir fällt gerade kein besseres Wort ein)

Grüße
Woody
 
Ja genau, im Optimalfall wird der gesamte Antriebsstrang optimiert. In Punkto Motoroptimierung kenne ich mich aber nicht gut genug aus wie man so etwas rechnerisch machen könnte. Der Wirkungsgrad vom Motor ist abhängig von der Leistung und Drehzahl. Mit verschiedenen Spannungen (verschiedenen Zellenzahlen) und Propellergrößen (verschiedene Leistungsaufnahmen) kann man das Wirkungsgrad-Kennfeld vom Motor vermessen und dieses dann mit dem Kennfeld vom Propeller kombinieren.

Vielleicht bringt die Fiala aber gleichen Schub und Strahlgeschwindigkeit, aber bei weniger Ampere und wäre damit wieder besser.

Wenn wirklich der gleiche Schub und Strahlgeschwindigkeit rauskommt hast du vollkommen Recht. In der Praxis wirst du diese Kombination aber so gut wie nie haben. Die reine Propellergeometrie unterscheidet sich ja von Hersteller zu Hersteller. Vergleiche einen 26x12 Klapppropeller mit einem 26x12 Kunstflugpropeller. Durch das breitere Blatt wird der Kunstflugpropeller bei gleicher Drehzahl mehr Schub machen.

Mit meinem Beispiel wollte ich nur darauf aufmerksam machen, dass wir keine Äpfel mit Birnen vergleichen. Das heißt, wenn wir Messwerte und die Geometrie von einer Fiala Luftschraube haben kann man damit rechnerisch nur auf andere Fiala Luftschrauben schließen, nicht aber auf eine Biela oder Falcon. Wenn man Luftschrauben von anderen Herstellern optimieren möchte muss man mindestens deren Geometrie vermessen.

Durch das rechnen kann man dann easy alle Durchmesser- und Steigungskombinationen miteinander vergleichen. Das würde sonst sehr ins Geld gehen.

Was ich mich auch frage ist, ob es bei Luftschrauben ähnlich wie bei Segelfliegern ist, also mehr Streckung mehr Effizienz bedeutet? Wenn es so wäre ist die Lösung relativ easy. Man nimmt einen 28er Freudenthaler und stellt über das Mittelstück die Steigung und den Durchmesser ein ;)
 
Zuletzt bearbeitet:
Ja genau, im Optimalfall wird der gesamte Antriebsstrang optimiert.

Hallo,

zum Optimieren muss man erst mal den Worst Case Segler bezüglich dem Fluggewicht, Luftwiderstand (Cw-Wert) und der Flächenbelastung bestimmen. Die Flächenbelastung bestimmt hauptsächlich die Schleppgeschwindigkeit, das Fluggewicht mit dem Luftwiderstand
bestimmt den notwendigen Schub.

Was ich mich auch frage ist, ob es bei Luftschrauben ähnlich wie bei Segelfliegern ist, also mehr Streckung mehr Effizienz bedeutet?

The Diameter​

The propeller diameter has a big impact on performance. Usually a larger propeller will have a higher efficiency, as it catches more incoming fluid and distributes its power and thrust on a larger fluid volume. The same effect can be shown for lifting surfaces, which results in sailplanes having large span but slender wings.

Quelle: https://www.mh-aerotools.de/airfoils/javaprop.htm

Der Propellerwirkungsgrad ist eine Funktion der Leistung pro Propellerkreisfläche P/D² und der Geschwindigkeit, siehe dazu
Dr. Martin Hepperle unter dem Reiter Propellers -> How a Propeller Works.

www.mh-aerotools.de/airfoils/

Um die benötigte Motorleistung bei einer bestimmten Vortriebsleistung zu minimieren, ist es sinnvoll die Beschleunigung
der Luftmasse durch den Propeller klein zu halten, dies entspricht einem hohen Fortschrittsgrad J.
Dazu muss der Propellerdurchmesser zunehmen, die Steigung reduziert werden.
Damit erreicht man den gleichen Schub bei weniger delta V, unnötige Beschleunigung der Luftmasse
auf eine hohe Strahlgeschwindigkeit wird reduziert, der Wirkungsgrad steigt da weniger Beschleunigungsarbeit verrichtet wird.

1691292470661.png

Bezeichnungen:
Pmech... Wellenleistung vom Motor [W]
Pv... Vortriebsleistung [W]
T... Schubkraft (Thrust) vom Propeller [N]
V... Fluggeschwindigkeit [m/s]
Vpitch... Strahlgeschwindigkeit vom Propeller [m/s]
delta V... V-Vpitch

Gruss
Micha
 

thomasr

User
Ich verlinke mal diesen alten Thread.
Vielleicht interessiert es.


Gruß Thomas
 
Das Zitat von Martin Hepperle zum Propellerdurchmesser kommt von der Javaprop Erklärung. Javaprop beruht auf der Blattelementtheorie. Hier wird die Geometrie des Propellers berücksichtigt. Das "P/D²" kommt allerdings aus der Strahltheorie. Das ist eine starke Vereinfachung und die Geometrie des Propellers wird nicht berücksichtigt, nur sein Durchmesser. Bitte nicht vermischen.

Wenn man somit von einer "Durchmessererhöhung" spricht bedeutet dies für den realen Anwendungsfall, dass man den Flächeninhalt (projizierten Propellerfläche) des Propellers erhöht. Das kann man durch einen breiteren Propeller, einen größeren Durchmesser oder ein Propellerblatt mehr (3-Blatt) machen.

Micha, das Zitat von Martin Hepperle passt zu meiner Annahme. Es macht somit Sinn auch große relativ schmale Propeller mit in Betracht zu ziehen. Die Freudenthaler gehen leider nur bis 28 Zoll. Darüber hinaus könnten die Rasa/MagCad eine Option sein.
 
Normal bin ich ja auch ein Freund von möglichst vielen Formeln. Programme wie Qprop von Mark Drela oder Propcalc von Helmut Schenk nehmen einem die ganze Formelarbeit aber ziemlich gut ab.

Für mich wäre es wichtig, dass wenn wir Flugmessdaten haben, wir auch die Geometrie des Propellers kennen. Das wären die Steigung und die Blatttiefe alle 10%. Ansonsten ist eine simulative/rechnerische Optimierung nicht möglich.
 

eAnSys

User
Das ist doch mal ein richtig guter Thread, danke dafür . . . . :)

Fasst man mal die gemachten Überlegungen und Statements zusammen, ergeben sich wohl folgende Ansätze für die „Optimierung“ eines Antriebsstrangs:

  • Motor: KV, Ri, I0, Masse
  • Luftschraube: Drehzahl, Durchmesser, Steigung, Blattform, Masse
  • Regler: Ri, Belastbarkeit, Masse
  • Akku: Ri, Kapazität, Masse
Fangen wir mit dem Motor an. Hier gibt es die Motoren von der Stange und es gibt die „modifizierten“. Wie das geht und was man erreichen kann ist teilweise sehr erstaunlich. Es zu nutzen bedeutet meistens gute Kontakte zu haben und dann erhält man solche „Schätzchen“ wie aus dem Hause „PowerCrocco“, „CopperDoc“, „PowerDekker“, „Brushless-Tuning“ etc., oder man(n) ist so begabt und kann dass selber machen.
Ergebnis ist aber immer ein Motor mit einer festen KV
Ausweg hieraus ist „Neuwickeln“, was Ralph bereits aufgeführt hat, oder eine Untersetzung, idealerweise variabel.
Das geht zum Beispiel bei einem Zahnriemengetriebe durch die Änderung des Motorritzel und so wird dann aus einer Motor-KV z.B. 6 Propeller-KV`s. Das geht dann definitiv schneller als das Neubewickeln . . .

Luftschraube:

Hier ist schon sehr viel Wesentliches aufgeführt worden. Auch das Thema Masse sollte aber nicht aus dem Auge verloren werden, da mit zunehmender Propellerdrehzahl auch zunehmend kinetische Energie investiert werden muss. Und leichte Luftschrauben (FALCON C2E/V2 oder XOAR PJT-E) haben sich deshalb etabliert.
Die ideale Luftschraube müsste somit folgende „Kriterien“ erfüllen:
  • Variabler Durchmesser
  • Variable Steigung
  • Variable Blattform
  • Variable Drehzahl
Variabler Durchmesser ist nach meinem Wissen noch nicht realisiert worden, es gibt aber mindestens ein Segelflugzeug, bei dem die Spannweite im Flug variiert werden kann.

Variable Steigung wird praktiziert bei jedem Hubschrauber, bei Verstellpropellern auch im Modellflug ( 4D-Hallenmodelle) und lässt sich, wenn man den Aufwand nicht scheut auch in Großmodellen realisieren.
Letztlich ein „aufgeblasener Heckrotor“ eines Hubschraubers bei der die verstellbaren Blatthörner durch die zentrale Hohlwelle angesteuert werden.
Experimentalträger Verstellluftschraube.jpg


Dieser Gedanke wurde von uns in zwei „Experimentalmodellen“ realisiert und zusammen mit einem Zahnriemengetriebe können zwei der aufgeführten Parameter (Drehzahl, Pitch) in „Grenzen“ variiert werden.
Messdaten lassen sich gut generieren, wenn man bei einem „UniLog 2“ das Signal des Blattverstellservos aufzeichnet und dem Servosignal vorher die geometrische Anstellung des Propellers zugeordnet hat.
Messdaten werden dann idealerweise so gewonnen, dass der Motor auf „Vollgas“ gebracht wird und dann der Vortrieb über die Blattverstellung realisiert wird. Zusammen mit einer Geschwindigkeitsmessung über Pitot-Rohr/ Staudruckmessung wird dass Ganze dann schon ziemlich aussagekräftig.

Variable Blattform ist auch noch nicht realisiert worden, es gibt aber auch hier ein Experimental-Segelflugzeug mit variabler Flächentiefe.
Beim Verstellpropeller bedeutet das dann „austauschen“ der Propellerblätter, was mit Holzblättern noch so gerade geht, bei CFK-Blättern wird es leider teuer . . . :rolleyes:

Bei Messungen hat sich aber gezeigt, dass bereits die Verwendung von CFK-Luftschrauben gegenüber Holzluftschrauben 4% -8% weniger Eingangsleistung bedeutet. Und dass regelmäßige reinigen der Blätter (Anhaftungen von Gras etc) hat auch positive Effekte.

Das gewinnen von Messdaten und deren Auswertung ist . . . . . sehr aufwändig und profitieren davon . . . . wohl eher eine Sache für die "positiv Verrückten".
Das es kein wirklich realisiertes Seriensystem gibt, außer bei den Hallenfliegern spricht wohl Bände.

Grüße aus dem Paderborner Land

Frank
 
Variable Steigung wird praktiziert bei jedem Hubschrauber, bei Verstellpropellern auch im Modellflug ( 4D-Hallenmodelle) und lässt sich, wenn man den Aufwand nicht scheut auch in Großmodellen realisieren.


Variable Steigung geht mit den Ramoser Propellern
Oder die "Billiglösung", wie wir es im Speedflug machen: Klapplatten mit verdrehten Mittelstücken.
Je größer allerdings die Verdrehung des Mittelstückes wird, desto wichtiger wird , dass das Propellerblatt darauf hingebaut wurde - es sollte dafür eine konstante, oder evtl. auch lineare Steigungsverteilung haben..
Die erfolgreichsten Speedpropeller sind so gebaut.

Ebenso kann man bei den Klappblättern die Blattform so auslegen, dass sie gut kürzbar ist.
Auch das wurde beim aktuellen 11,5x27 Speedflug WR-Prop (Bild 3) so realisiert.

Wegen der guten erfahrungen damit habe ich auch meinen Seglerprop so gebaut.
Die 14"x13" (Bild 3) kann man bis auf 10" kürzen und hat noch immer eine einigermaßen gefällige Geometrie.

Über das Mittelstück lässt sich auch die Blattzahl anpassen.
Ich selber hatte (habe) 2- bis 6-Blatt Props an meinen Modellen.
Der Sound ist bei sowas dann ziemlich eigen - bis hin zum leisen Rauschen.

Das 8-blatt-Mittelstück habe ich auch noch. Es war vom A400M inspiriert.

Mit so großen Props wie hier haben wird das alles noch nicht gemacht,
aber bis zu >20kW jagen wir wir ja eh schon über unsere Spielzeuge.

Das letzte Bild zeigt meinen Lieblingsprop. Den muss man mal life gesehen und gehört haben - absolut ultra!!! (Antonow 70)
Sowas auszulegen und zu bauen übersteigt meine Fähig- und Möglichkeiten allerdings bei weitem. Aber DER Hingucker wäre es ganz bestimmt!

Und die Drehzahl anpassen über umwickeln geht auch bei sowas:

oder sowas:
 

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Armageddon

Vereinsmitglied
Hallo,

ohne Zweifel würde ein Verstellpropsystem eine tolle Möglichkeit den Schub und die Strahlgeschwindigkeit an die jeweilige Situation anzupassen. Abgesehen von den 4D Indoor Lösungen und Eigenbauten ist mir da im RC Bereich nichts bekannt. Auf der Ramoser Seite gibts auch ein Hinweis, dass die sowas schon gebaut haben. Welche Lösungen gibt es denn in unserem Leistungsbereich, also irgendwo zwischen 5-8kW? Irgendwelche Lösungen auf Basis eines Heckrotors düften da längst am Ende sein, da müsste schon nen Hauptrotor her. Weiß jemand was?

Gruß Kai
 

Thomas Ziegert

Moderator
Teammitglied
Bei Torcman gibt es eine Lösung mit Hohlwelle im Motor. Ist dafür gedacht eine Schleppkupplung im FES zu integrieren, Vielleicht kann ein „Bastler“ damit was anfangen:

 
Edit: Blödsinn von mir
 
Das gewinnen von Messdaten und deren Auswertung ist . . . . . sehr aufwändig und profitieren davon . . . . wohl eher eine Sache für die "positiv Verrückten".
Das es kein wirklich realisiertes Seriensystem gibt, außer bei den Hallenfliegern spricht wohl Bände.

Hallo,

im Bild hab ich ein dynamisches Modell (mit Scilab/Xcos erstellt) eines Antriebsstranges bestehend aus einem kleinen Keda B2847-2600Kv Inrunner mit 4.4:1 Getriebe an 3S mit einer GM 16x8. Dieser Antrieb ist in meinem Starling Pro aus #70. Die Simulation enthält auch die groben Trägheitsmoment vom Rotor, Getriebe und Propeller.

1691392377202.png


Man sieht an dem Blockschaltbild die Komplexität eines Antriebsstrangs alleine im statischen Propellerbetrieb.
Das Simulationsergebnis im eingeschwungenen Zustand passt übrigens sehr gut zu den realen statischen Messwerten vom Antriebsstrang.

1691392419726.png


Die Auslegung und speziell das Optimieren eines Antriebsstrangs für den F-Schlepp mit unterschiedlichen Segelflugmodellen ist m. E. extrem aufwendig und sehr komplex. Das notwenige Know How auf dem Gebiet der elektrischen Antriebstechnik, Flugmechanik, Aerodynamik vom Flugmodell- und Propeller wird i. d. R. kein Modellflieger besitzen. Daher sollte man sich auf die einfachen Möglichkeiten der Optimierung beschränken. Diese wurden hier im Thread ja teilweise angesprochen.

Gruss
Micha
 
Zuletzt bearbeitet:

eAnSys

User
Moin Kai,
zu deinem Post #73 nachfolgende Klarstellung:
Experimentalträger Verstellluftschraube-Abmessungen.png


Die Bemerkung "aufgeblasener Heckrotor" bezieht sich auf die technologischen Grundzüge und die Tatsache, dass die Anlenkung nicht via Taumelscheibe an die Blatthalter erfolgt, sondern über eine zentrale "Druck-/ Zugstange".
Es lassen sich Propellerblätter bis 24mm Dicke verwenden und es addiert sich zum ursprünglichen Durchmesser der Propellerblätter, hier 26" die 4" der Mechanik.
Messungen haben schon bis 32" (28" + 4") stattgefunden und limitierender Faktor sind die Corioliskräfte in den Axialkugellagern.
10KW Aufnahmeleistung sind bereits abgehakt.
Wie aber Micha auch schon herausstellt.
Man kann ALLES im Leben empirisch ausprobieren und realisieren.
Ob es aber sinnvoll ist, oder theoretische Analysen und Auswertungen nicht der "ökonomischere" Lösungsweg sind . . . . :confused:
Ich will aber niemanden die Lust und den Spaß am "experimentieren" nehmen, ich mache es ja selber auch . . . s.o. ;)

Grüße aus dem Paderborner Land

Frank
 

Armageddon

Vereinsmitglied
Hallo Frank,

danke für die Klarstellung. Dann habt Ihr da quasi schon nen größeren Heckrotor nachgebaut ;) . Umso besser. ich habe ein paar Fragen zu dem Bild:
  • Wie verhindert Ihr, das sich die "Taumelscheibe" an Eurem System nicht verdreht? Wird das druch die dünnen Drähtchen erreicht?
  • Welche Kraft wird für die Verstellung im Betrieb benötigt?
  • Habt Ihr Zeichnungen zu dem System? Könnte man das ggf. nachbauen?
Ob so ein System an einer Schleppmaschine letztendlich sinnvoll einzusetzen ist, ist sicherlich zu hinterfragen. Aber da geht bei mir dann auch der Experimentiertrieb los ;).


Gruß Kai
 

Sebastian Scheinig

Vereinsmitglied
Ob so ein System an einer Schleppmaschine letztendlich sinnvoll einzusetzen ist, ist sicherlich zu hinterfragen. Aber da geht bei mir dann auch der Experimentiertrieb los ;).
Fände ich eine sehr interessante Nummer! Leider habe ich selber keinen Elektro-Schlepper bei dem ich so ein System realisieren könnte. Aber die Schlepps damit und vorallem die Schleppvarianten damit, würden mich sehr interessieren.
 

eAnSys

User
Hallo Kai,
zu deinen Fragen:
  • in der Tat reichen die "Drätchen", es muss ja nur die Reibung von 2 Rillenlagern "überwunden" werden.
  • Zur Ansteuerung diente bis dato ein 250Ncm-Standardservo
  • Es gibt Zeichnungen und einen kompletten CAD-Datensatz . . . . der ist aber Stand 2018 und würde heute etas anders aussehen (Fertigungsfreundlicher ;) )
  • Das abgebildete ist der vordere Teil eines Getriebeantrieb (Single-Gear-XL) und wird "wahlweise" statt einer Propelleraufnahme an das Getriebegroßrad geschraubt
  • Verstellpropeller komplett Variante2.0006.png
Vielleicht sollten wir uns mal per PN unterhalten . . . .

Grüße

Frank
 
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