Leistung Aeronaut Luftschrauben

Hallo Helmut,

Original erstellt von haschenk:
Das CP ist also unser Maß für die Leistungsaufnahme. Im CP stecken der Einfluß von Steigung (dimensionslos als H/D), von Größe und Anzahl der einzelnen Blätter (bezogen auf die Propellerkreisfläche als Flächendichte bezeichnet), von Blattprofil, Feinheiten der Blattform u.a.m.
steckt in CP dann nicht auch immer (2*Pi)^3 ?

Müsste nicht sonst eigentlich die Kreisfrequenz omega statt nur der Drehzahl pro Sekunde in der Formel auftauchen?

Gruß
Dieter
 
Original erstellt von Dieter Brüggemann:
..die Kreisfrequenz omega statt nur der Drehzahl pro Sekunde ...
Hi!

Die Kreisfrequenz ist eine Frequenz also Einheit [Hz]; eine abgeleitete SI Einheit. Ein [Hz] = [1/s]. Drehzahl pro Sekunde: [1/s] Wo ist der Unterschied ?

Hier ist eine - vielleicht - interessante Tabelle.

Grüße TurboSchroegi

[ 31. Oktober 2002, 15:11: Beitrag editiert von: TurboSchroegi ]
 
Hallo TS
darin: omega gleich zwei pi n gleich zwei pi f.

Dieter mein mit Kreisfrequenz omega die Winkelgeschwindigkeit.

[ 31. Oktober 2002, 15:18: Beitrag editiert von: Gerhard_Hanssmann ]
 
Original erstellt von Gerhard_Hanssmann:

Dieter mein mit Kreisfrequenz omega die Winkelgeschwindigkeit.
Hi !

Ah ja, dann ist's was anders. Ok. In der Formel geht die Drehzahl ja schon ein - hschenk schreibt mit der 3ten Potenz. Wegen n=omega/2pi steck 2pi^3 in dem Faktor (n/60)^3 und wegen T=1/n=2pi/omega kann ich das von links nach rechts rechnen wie ich will. (n/60)^3 ist m.E. recht praktisch. Ach ja: |omega|=d_phi nach d_t
(Betrag der Winkelgeschwindigkeit).

Grüße TurboSchroegi

P.S. Vielleicht hätte ich seinerzeit doch Physik studieren sollen aber wer weiß ob ich das geschnallt hätte :D :D Mathe ist da schon ein echtes Eck geradliniger ;)
 

haschenk

User †
Hi Dieter,
die Formel ist so
Pw = CP * rho * (n/60)^3 * D^5
schon richtig.

Im D^5 stecken von den Dimensionen her D^3 für die Drehzahl und D^2 für die physikalisch "dahinterstehende" Kreisfläche.
Wenn man so will, ist natürlich im CP auch das pi etc. mit drin.
Das ist Definitionssache, wurde in dieser Form vor schätzungsweise 80 Jahren vom NACA definiert. Ganz am Anfang stand statt n/60 noch "N" drin, wobei N als Drehzahl in U/sec definiert war. Zugunsten der üblicheren [Upm] oder [rpm] wurde es später in die n/60 geändert.

Wenn du dir vom NASA-Server den Report Nr. 141 ("Klassiker" zu Propellern) runterladest, findest du in diesem ein einleitendes Kapitel mit dimensionsanalytischen Betrachtungen zu all den verschiedenen Beiwerten. Man muß aber in einer ganz besonderen Stimmung sein, um das lesen zu können.
Wie ich schon gesagt habe, gibt es für alle Beiwerte und sonstigen dimensionslosen Kennwerte auch andere Definitionen und Bezeichnungen, beispielsweise "altdeutsche" (da steht pi explizit drin), andere schreiben statt rho ein rho/2, die Hubschrauberleute verwenden meistens die Umfangsgeschwindigkeit oder die Winkelgeschwindigkeit omega (multipliziert mit dem Radius). Da muß man höllisch aufpassen.

Gruß,
Helmut
 
Hallo,

Original erstellt von TurboSchroegi:
Wegen n=omega/2pi steck 2pi^3 in dem Faktor (n/60)^3
das ist eben nicht so. (2pi)^3 ist klammheimlich mit in Cp drin. Aber für die Praxis ist das ja egal, weil Cp ja empirisch ermittelt wurde.
Man könnte auch konsequenterweise (1/60)^3 mit nach Cp wandern lassen, aber wenn sich das schon in allen Veröffentlichungen so festgebissen hat...

Außerdem ist omega/2pi nicht n sondern n/60.

n/60 heißt ja nur Frequenz statt Drehzahl, eben Umdrehungen pro Sekunde statt pro Minute.

Gruß
Dieter

[ 31. Oktober 2002, 18:46: Beitrag editiert von: Dieter Brüggemann ]
 
Original erstellt von Dieter Brüggemann:


Außerdem ist omega/2pi nicht n sondern n/60.

n/60 heißt ja nur Frequenz statt Drehzahl, eben Umdrehungen pro Sekunde statt pro Minute.

Hi Dieter !

Hmmm ... Du gibst mir ja Nüsse zu knacken ... ;)

Soweit ich mich erinnere stimmt das schon: n=omega/2pi wenn n die drehzahl ist (Einheit drehzahl n: 1/min)
das sollte vorher so rüberkommen.

n/60 ist ja nur in einem - diesem - Spezialfall die Frequenz. Allgemein gilt doch: f=1/T und T ist die Periodendauer. Hier ist - wenn man so will - die "Periodendauer" 60sec.

Ich hab jetzt gerade Sohnemann zu Bett gebracht und werde jetztmal im Büro die alten Physikformelsammlungen rauskramen (Ich hoffe ich irre mich nicht :) ) Zwischenzeitlich habe ich Google angeworfen, weil bisher war's vom Hirn in die Tastatur... Sieh mal!

Wenn ich falsch liegen sollte bitte ich schleunigst um Aufklärung, damit ich nicht weiter Mist verbreite :D :D

Bin eben kein Physiker sondern fühle mich nur für die dummen Fragen zuständig - quasi als Diskussionskatalysator ;)

Grüße TurboSchroegi
 
Moin,

Original erstellt von TurboSchroegi:
n/60 ist ja nur in einem - diesem - Spezialfall die Frequenz. Allgemein gilt doch: f=1/T und T ist die Periodendauer. Hier ist - wenn man so will - die "Periodendauer" 60sec.
n/60 ist immer dann die Frequenz, wenn n die die Drehzahl pro Minute (rpm) sein soll, weil 1 Min. ja 60 Sekunden hat.

Wenn die Periodendauer, also T, 60 Sekunden beträgt, was 1 Umdrehung pro Minute bedeutet, ist die Frequenz 0,0166 Hz.
Der Sekundenzeiger einer Uhr hat diese Frequenz

Gruß
Dieter
 
Hi Dieter, Hi Namensvetter !

Ich nehme alles zurück und behaupte das Gegenteil !

Ihr habt natürlich recht. Danke für die Nachhilfe in Physik und entschuldigt bitte, dass ich Euch "Spezis" immer mit Grundlagen langweile :rolleyes:

Ausserdem: Wer lesen kann ist klar im Vorteil! Hätte ich mal genau gelesen - da stand's ja eh schon richtig.

Ab jetzt mach ich's wieder so: Zuerst Physikformelsammlung und dann Tastatur. Sorry!

Grüße TurboSchroegi
 

haschenk

User †
Hi Schroegi,

du kannst dir das etwas konkreter(?) auch so vorstellen:

Du willst die Drehzahl einer Welle mit einem Frequenzzähler und einer Lichtschranke messen. Auf der Welle ist eine Markierung, die über die Lichtschranke 1 Impuls pro Umdrehung an den Zähler gibt. Für den Zähler ist 1 Impuls + Pause eine Schwingung.
Beträgt die Drehzahl jetzt z.B. 8400 U/min = 8400/60 = 140 U/s, dann wird der Zähler 140 Hz anzeigen (1 Schwingung/s = 1 Hz). Umgekehrt kannst du aus der Zähleranzeige die Drehzahl berechnen. Das Aufstellen der Formel für den Fall, daß die Lichtschranke 2,3,4.... Impulse/Umdrehung liefert (z.B. Propeller mit 2, 3, 4 Blättern) ist sicher eine der leichteren Übungen für dich.

Gruß
Helmut

[ 01. November 2002, 00:15: Beitrag editiert von: haschenk ]
 

haschenk

User †
Hallo zusammen,

bevor ich mich für die nächsten 4 Wochen hier abhänge, noch etwas zu der Schubformel von Gegie. Diese lautete:

S= 65*(Pw^2*(D*0.0254)^2*1.885)^(1/3)
mit
Pw = Wellenleistung [W]
D = Prop-Durchmesser [inch]
S = Schub [p]
(die "65" habe ich statt hinten an den Anfang der Formel geschrieben, s.u.)

Und jetzt wäre es noch schön, wenn wir statt "65" besser "0,65" schreiben, dann kommt das Ergebnis in [N] raus (2% Fehler vernachlässigt). Also von jetzt ab

S= 0,65*(Pw^2*(D*0.0254)^2*1.885)^(1/3)
mit
Pw = Wellenleistung [W]
D = Prop-Durchmesser [inch]
S = Schub [N]

Das Wichtigste zuerst:
1.
Die Formel ist so ok und sollte gute Ergebnisse liefern.

2.
Die Formel kann man natürlich auch "für sich allein" und ganz allgemein verwenden, wenn man den Zusammenhang zwischen Wellenleistung und Standschub wissen möchte. Beispielsweise für den Schub von Heli-Rotoren.

3.
Man kann die Gleichung auch nach Pw auflösen und erhält so die notwendige Wellenleistung für einen vorgegebenen Schub. Beispielsweise, wenn es darum geht, die zun "hovern" von Normalmodellen oder im Schwebeflug von Helis nötige Antriebsleistung abzuschätzen. Vielleicht ist es für den einen oder andern auch mal ganz interessant zu wissen, was z.B. "Piccolo" oder "TriBelle" so an Antriebsleistung brauchen (geht natürlich auch für größere Helis).

4.
Wer sich dazu durchringen kann, den Durchmesser in [m] einzugeben, kann die "0,0254" in der Formel streichen.

Und jetzt noch etwas Hintergrund, Oberlehrer <ON>
In der einfachen "Strahltheorie" des Propellers wird folgende Formel für den Standschub eines idealen Propellers hergeleitet:

S_ideal = (P^2*F*rho*2)^(1/3)

mit unseren üblichen Einheiten
F = Propellerkreisfläche [m^2]
P = Wellenleistung [W]
rho = Luftdichte [kg/m^3]
S_ideal = Schub [N]

Die Herleitung ist ziemlich einfach und steht in jedem besseren Lehrbuch zur Strömungslehre, Aerodynamik o.ä., deshalb verzichte ich hier darauf. Man sieht aus der Formel z.B. schon, daß man einen hohen Standschub erreichen kann, wenn man nur (in sinnvollen Grenzen) die Kreisfläche groß macht.

Den Idealschub erreicht man natürlich in der Realität nicht. Es wird zusätzliche Leistung gebraucht wegen des Luftwiderstands der Blätter (der Löwenanteil), ungleiche Geschwindigkeit im Strahl, Drall des Strahls , u.a.m.

Im Stand ist der Wirkungsgrad eines Props Null, da er keine "Nutzarbeit" in strengen Sinn leistet. Damit man trotzdem ein Maß für die Effektivität hat, führt man den sog. "Leistungsgütegrad" oder kurz "Gütegrad" ein, er wird üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben "zeta" bezeichnet. Man versteht darunter das Verhältnis der idealen zur realen Leistung für gleichen Schub, also
zeta = P_ideal / P_real
Man vergleicht die notwendigen Leistungen bei gleichem Schub, und nicht den unterschiedlichen Schub bei gleicher Leistung !! Das ist sehr wichtig, denn die Ergebnisse sind unterschiedlich! Das zeta "gilt" für die Leistung. Der Idealprop hätte einen Gütegrad zeta von 1. Reale Modell-Props/Rotoren haben ein zeta zwischen etwa 0,5 und 0,65 (wenn es nicht ausgesprochene "Krücken" sind).

Mit dem zeta ist dann die Formel
S = ((P*zeta)^2*F*rho*2)^(1/3)

Jetzt kann man das zeta aus der Wurzel rausholen und als Faktor davorsetzen:
S = zeta^(2/3)*(P^2*F*rho*2)^(1/3) = zeta^(2/3)* S_ideal

Wenn man jetzt noch F = D^2*pi/4 (D in [m]), rho = 1,24 [kg/m^3], und die 0,025 für die Umrechnung [m] => [inch] einsetzt, ergibt sich die vom Gegie angegebene Formel.
Fehlen nur noch das zeta^(2/3) bzw. der Faktor 0,65. Die beiden sind natürlich identisch,
und es ist hier zeta^(2/3) = 0,65. bzw. zeta = 0,65^(3/2) = 0,52.

Man (nicht nur ich) weiß aus vielen Messungen, daß sich zeta nur in einem relativ kleinen Bereich bewegt. Modell-Props/Rotoren mit einem zeta kleiner als 0,5 gibt es gelegentlich, aber die sind dann eher zum Harz anrühren geeignet und wir sollten sie nicht berücksichtigen.
Zeta größer als 0,6 ist bei Modellen schon sehr gut, als Spitzenwert habe ich ein einziges mal 0,64 gemessen incl. evtl. Messfehler.

Es ist also sinnvoll, 0,5 kleiner/gleich zeta kleiner/gleich 0,6 anzunehmen, oder zeta = 0,55 +/- 0,05.
Daraus jetzt zeta^(2/3) berechnet ergibt Werte 0,63 -- 0,67 -- 0,71. Oder 0,67 +/- 0,04.
Da liegt Gegie mit seinen 0,65 sehr gut.

Es ist schon bemerkenswert, daß diese einfache Formel so gut funktioniert. Selbst bei den "Großen" wird z.B. bei ersten Abschätzungen des Schubs von Hubschrauber-Rotoren im Schwebeflug diese Formel verwendet. Die setzen ein etwas größeres zeta ein, und die Luftdichte müssen sie natürlich auch entsprechend der Höhe einsetzen.

Nach Details wie Steigung, Blattzahl und -form braucht niemand zu fragen; das gibt diese einfache Theorie nicht her. Das heißt nicht, daß die Theorie falsch wäre, sie erlaubt eben nur eine geringe "Eindringtiefe" in die Aufgabe. Für die Details gibt es dann aufwendigere Verfahren.

Zum Schluß noch einen ganz anderer Ansatz:
Ähnlich wie schon bei der Leistung verwenden die Propeller-Spezialisten einen Beiwert, diesmal CT (thrust coefficient) genannt, damit ist dann
S = CT*rho*(n/60)^2*D^4
(andere Exponenten als bei CP beachten!)

Dieser Beiwert CT gilt auch wieder allgemein (auch im Flug), er ändert sich mit dem Fortschrittsgrad, und der Stand ist ein Spezialfall davon (Fortschrittsgrad = 0). CT wird auch in Versuchen oder durch Rechnungen ermittelt und in Diagrammen dargestellt.

CT hängt auch wieder von der Prop-Geometrie (Steigung, Blattform usw.) ab.

Für Vergleiche könnte man CT (für den Stand) relativ leicht aus nur Standschub- und Drehzahlmessungen ermitteln. Wir könnten dann ein ähnliches Diagramm wie für CP erstellen. Daraus könnte man detaillierter den Einfluß von z.B. der Steigung sehen.

So, jetzt reicht´s aber eigentlich, Oberlehrer <OFF>,

und Grüße,
Helmut

[ 01. November 2002, 20:44: Beitrag editiert von: haschenk ]
 
Hallo Helmut
Danke für deine übersichtlichen Ausführungen. Hab leider kein Strömungslehrebuch.

"S_ideal = (P^2*F*rho*2)^(1/3)

mit unseren üblichen Einheiten
F = Propellerkreisfläche [m^2]
P = Wellenleistung [W]
rho = Luftdichte [kg/m^3]
S_ideal = Schub [N]

Die Herleitung ist ziemlich einfach und steht in jedem besseren Lehrbuch zur Strömungslehre, Aerodynamik o.ä., deshalb verzichte ich hier darauf."

Hab an dieser Herleitung Intersse. Kann auch die 4 Wochen abwarten. Alles Gute.
 

haschenk

User †
Hi Gerhard,

nur als Tip:
in der dir nächstgelegenen Stadt gibt´s sicher eine Stadtbücherei, und dort ein einführendes Buch zur Strömungslehre.....
Wenn nicht, dann lassen die eines p. Fernleihe kommen. Mit ein paar Euro Leihgebühr bist du dabei.
Empfehlen kann ich dir z.B.
F. Dubs, "Aerodynamik der reinen Unterschallströmung", Birkhäuser Verlag

Der Buchtitel hört sich hochwissenschaftlich an, ist aber etwas unglücklich gewählt. In Wirklichkeit ist es ein sehr praxisorientiertes Buch. Darin findest du noch einiges mehr, was für einen Modellflieger wissenswert ist.
Zu kaufen ist es z.Zt. nicht (vergriffen), aber Bibliotheken haben es.

Gruß,
Helmut

[ 01. November 2002, 23:36: Beitrag editiert von: haschenk ]
 
Hallo Helmut,

Original erstellt von haschenk:

S= 65*(Pw^2*(D*0.0254)^2*1.885)^(1/3)
mit
Pw = Wellenleistung [W]
D = Prop-Durchmesser [inch]
S = Schub [p]
schnell mal probieren.

Leistung 80 Watt, Durchmesser 11 inch:
S = 65 * ( 80^2 * (11 * 0.0254 )^2 * 1.885)^(1/3) = 39.41

Hähhh??

Gruß
Dieter
 

haschenk

User †
Hi Dieter,
du hast Glück, daß ich gerade noch mal schnell reingeschaut habe (morgen geht mein Flieger). Du musst irgendwo beim Rechnen einen Fehler gemacht haben.

Also:
S = 65 * ( 80^2 * (11 * 0.0254 )^2 * 1.885)^(1/3)

ergibt bei mir
S = 65 * (6400*0.28^2*1.885)^(1/3)
= 65 * (6400*0.0784*1,885)^(1/3)
= 65 * 946^(1/3)
= 65 * 9.82 = 638 [p]

Gruß,
Helmut
 
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