Optimale Steigung

[steve]

Hallo,
ich mal wieder eine etwas speziellere Frage. Der Wirkungsgrad eines Pros wird mit zunehmender Steigung besser. Das hat jetzt verschiedene Gründe, wie z.B. dass für die gleiche Fluggeschwindigkeit bei höherer Steigung eine geringere Drehzahl des Props erforderlich ist. Der Widerstand steigt nun aber mit der Drehzahl/Umfangsgeschwindigkeit des Props im Quadrat. Es ist also sinnvoll, mit der Steigung rauf zu gehen, wenn der Wirkungsgrad verbessert werden soll.

Ich habe das versuchshalber auch mal in die Antriebsrechner eingegeben und war sehr erstaunt, was da alles geht. Allerdings sind diese Programme eben Simulationen.

Wie sieht es in der Realität aus?

VG

 

[GC]

Steve,
ich kann dies bestätigen. Meine Dauerflieger haben einen großen Durchmesser und eine hohe Steigung bei geringer Drehzahl.
Einer meiner Lieblingspropeller ist bei Modellen um die 2m, die mit sehr geringer Leistung angetrieben werden, der eigentlich für Hotliner-Antriebene vorgesehene Prop von Aeronaut 15x13.
Auf meinem Ur-Excel habe ich sogar eine 18,5x15 Latte drauf.
Quadratische Propeller, d.h. bei denen Steigung ungefähr = Durchmesser sind, haben den besten Wirkungsgrad.
Je größer der Durchmesser um so besser bei langsamen Flugzeugen.

 

[steve]

Hallo Bernd,
bin bei meinen Props schon weit im überquadratischen Bereich: 13x31 13x33 etc. jeweils als 3-5 Blatt. Ich hätte jetzt die Möglichkeit, das Getriebe noch mal deutlich stärker zu untersetzen. Von 4:1 auf 8:1 Da macht es Sinn über weitere Anhebungen der Steigung nachzudenken.

Was mir aber mit etwas Nachdenken bereits jetzt klar wurde: Bei den sehr hohen Blattwinkeln muss bei Einzelblättern der Verlauf der Winkel wesentlich exakter zum Durchmesser der Blatthalter passen. Im quadratischen Bereich ist das zwar auch nicht optimal aber bei den sehr hohen Steigungen geht die Toleranz gegen Null, wenn man nicht dort wieder Wirkungsgrade verlieren will.

VG

 

[hybris]

Ich bin ebenfalls Verfechter der hohen Steigungen, fliege beispielsweise eine kleine 5 Blatt Nemesis3 mit 7x11,5er Latte und eine NXT mit 19x24 Latte. Ehrlicherweise bin ich mir unsicher, dass auch wenn du vielleicht noch ein wenig Effizienz herausholen kannst durch noch idealerweise Anpassung der Steigung an die Fluggeschwindigkeit, ob der Prop in geringen Geschwindigkeitsbereichen noch seinen Zweck erfüllt. Vermutlich wird es für deinen Nuri gehen, für schwerere Flugzeuge (getestet mit einer ~6 Kilo Turbo Raven 1,52m SPW) ist es schon grenzwertig, da der Prop bei einem Go Around kaum greift.
Ehrlicherweise denke ich, dass, sofern du deinen Nuri optimieren willst, eher weniger Blätter Sinn machen (bis hin zum Mono Blade Prop), da du dadurch Verwirbelungen und Stirnwiderstand senken kannst.

Ich lese mal gespannt mit.

 

[GC]

Hallo Bernd, an welchen Flugzeugen hast du denn deine Propeller mit der hohen Steigung montiert? Sind es Speedflieger?

 

[Experimentalhans]

Mal eine Frage an die Experten:

Der Auftrieb am Flügel namens Propellerblatt steht ca. senkrecht auf der Profilsehne.
Wenn die gegen die Umfangsrichtung der Propeller-Rotation geneigt wird (Einstellwinkel), dann zeigt ein Teil des Auftriebsvektors gegen die Rotationsrichtung und ein Teil in Achsrichtung. Bei 45° Einstellwinkel zeigen gleich große Teilvektoren in Achsrichtung wie gegen die Rotation.
Steigt tatsächlich der Wirkungsgrad, wenn der Winkel noch steiler wird?

Nur als Gedankenspiel, wenn der Winkel 90° wäre und die Drehzahll minimal, dann gäbe es gar keinen Kraftanteil mehr, der in Flugrichtung zeigt.
Andererseits wäre bei Null Grad schon die kleinst Vorwärtsbewegung geeignet, die Anströmung negativ zu machen, also den Auftrieb umzukehren.
Irgendwo dazwischen liegt das Maximum, das aus der Anordnung herauszuholen ist.
Muss also mit steigender Fluggeschwindigkeit nicht sinnvollerweise die Drehzahl mit steigen?
Wo genau ist dieses Maximum zu suchen?

 

[chris2f4u]

Moin,

so verallgemeinern sollte man das glaube ich nicht. Segler und Motormodelle unterscheiden, langsame oder schnelle Modelle.
@steve
Sei vorsichtig mit diesen Berechnungsprogrammen. Die liegen vielleicht noch halbwegs richtig wenn du z.B. die Daten von einem 20x10 eingegeben hast, und dann 20x12 wissen willst. Aber wenn du dann eine 18x14 eingibst kommen Ampere Werte die weit weit neben der Realität liegen.
Abweichungen von 30% und mehr.....
Diese Programme leben davon, dass User Messwerte eingeben. Zuverlässige/Genaue Messdaten können aber nur wenige User erheben.
Es gibt auch jede Menge Altdaten von früher mit Messungen im Stand...unbrauchbar wenn man optimieren will.
Früher gab es fast nur Aeronaut Cam Carbon, heute hat man GM. Und bei Starrprops eine große Auswahl.

Ich hab mir YGE Regler gekauft und lese meine Werte dann vom Senderdisplay ab. Bzw. rufe sie mit Sprachansagen im Flug ab.
Und ich hab Strombegrenzungen einprogrammiert damit es keine bösen Überraschungen gibt.
Ich denke mal ohne Regler mit guten Messwerten und Telemetriesender ist das alles zu weit neben der Realität.

Teurer Stoff, aber wenn du zwei Prop Fehlkäufe vermieden hast ist der Aufpreis schon wieder drin....so ungefähr.

Gruß Chris

 

[lastdownxxl]

Hallo Steve,

der Wirkungsgrad eines Propeller wird nicht nur durch das Verhältnis H/D bestimmt, sondern wesentlich vom Fortschrittsgrad J
im Flug. Das Verhältnis H/D bestimmt praktisch nur den theoretisch maximal erreichbaren Wirkungsgrad. Ein Propeller hat
den besten Wirkungsgrad bei einer Fluggeschwindigkeit nahe an der Strahlgeschwindigkeit (n*H) vom Propeller.
Die liegt bei einem quadratischen Propeller ungefähr bei 0.8 * n * H als Faustformel.
Bei einem quadratischen Propeller (H=D) ist bei Vflug = n*H (Fortschrittsgrad J = 1) nahezu das Ende erreicht,
die Strömungsgeschwindigkeit am Propellereingang ist theoretisch gleich der Strahlgeschwindigkeit am Propellerausgang,
das Blattprofil kann hier praktisch keinen nennenswerten Schub (Auftrieb) mehr liefern.

Fliege ich jetzt ein Modell mit einer gegenüber der Strahlgeschwindigkeit geringen auslegungsbedingten Eigengeschwindigkeit (z. B. Thermiksegler), dann baut das Modell enormen Luftwiderstand auf um halbwegs die Propellerstrahlgeschwindigkeit zu erreichen.
Bei einer begrenzten Motorleistung wird dieses nicht der Fall sein, der Propeller arbeitet mit einem sehr geringen Fortschrittsgrad J = V/(n*D),
daher liegt der Arbeitspunkt dann bei einem sehr niedrigen Wirkungsgrad. De facto liegt im Beispiel eine grobe Fehlanpassung zwischen der Modellaerodynamik und der Propelleraerodynamik vor.

Im Prinzip gleichen sich die Wirkungsgradkurven von einem BLDC-Motor und einem Propeller.

• Beim Leerlauf vom BLDC-Motor wird keine Nutzleistung abgegeben, Eta-Motor = Null.
• Im statischen Propellerbetrieb (Vflug = 0) wird keine Nutzleistung (Schub*Vflug) vom Propeller abgegeben, Eta-Propeller = Null.
• Erreicht der BLDC-Motor mit Propeller die Leerlaufdrehzahl (n*Kv), dann ist der Motorwirkungsgrad auch Null.
• Erreicht die Fluggeschwindigkeit die Propellerstrahlgeschwindigkeit (n*H)), dann ist der Propellerwirkungsgrad auch Null.

Beim Motor wie auch beim Propeller wird der max. Wirkungsgrad nahe (n*H) bzw. nahe an n*Kv erreicht.
Allerdings wird hier nicht die maximale Abgabeleistung erziehlt, aus wirtschaftlichen Gründen wird man eher selten den
Arbeitspunkt des maximalen Wirkungsgrades ausnützen können.

Beispiel Wirkungsgradkurve APC 9x9E:

Quelle: https://m-selig.ae.illinois.edu/props/volume-1/propDB-volume-1.html

Im übrigen simuliert ein Antriebsrecher im Allgemeinen nicht, er berechnet nach festen Formeln statische Werte im eingeschwungen Motorzustand ohne Zeitbezug. Eine Simulation im technische Sinn enthält ein Zeitverhalten, Beispiel siehe hier.

Gruss
Micha

 

[Jürgen Heilig]

Hallo,
ich mal wieder eine etwas speziellere Frage. Der Wirkungsgrad eines Pros wird mit zunehmender Steigung besser. ...

Der Wirkungsgrad steigt grundsätzlich auch mit dem Durchmesser. Blattzahl, Blattprofil und Blattform sind weitere Faktoren, welche Einfluss auf den Wirkungsgrad haben. Nach der Theorie haben so genannte "quadratische" Props (Durchmesser = Steigung) den besten Wirkungsgrad. In der Praxis kommen aber weitere Faktoren dazu, die die Suche nach der optimalen Luftschraube alles andere als trivial machen.

 

[Georg Funk]

Was bei den extremen Steigungen auch eine Rolle spielt ist der Strömungsabriss am Propeller. Der hängt von Drehzahl, Propellerprofil, Steigung und Fluggeschwindigkeit ab.

 

[Shark_PS]

Hallo zusammen,

bei der Frage nach der "Optimalen Steigung" eines Propellers kommt es immer auf die Sichtweise an. Ist man rein theoretisch unterwegs und sucht nach dem maximal möglichen Wirkungsgrad oder sucht man für eine reale Anwendung mit entsprechenden Anforderungen und Randbedingungen / Beschränkungen die bestmögliche Lösung / Kompromiss.

Wie aus den vorangegangen Post schon ersichtlich ist kommt es bei einer realen Anwendungen auf viele Faktoren an. Generell ist es aber möglich über eine weites Spektrum an P/D (H/D) Verhältnissen eines Propellers nahezu ein gleichbleibenden Maximalwirkungsgrad zu erreichen.

Quelle: https://aerotoolbox.com/thrust-cruise-speed/

Ähnliche / weitere Quellen:

Propeller Performance: An introduction, by EPI Inc. (epi-eng.com)

Piston Engines & Propellers – Introduction to Aerospace Flight Vehicles (erau.edu)

Ein Propeller hat logischerweise seinen besten Wirkungsgrad bei dem Strömungszustand, bei dem die Blattprofile unter dem Anstellwinkel (AoA) angeströmt werden, bei dem das jeweilige Profil den besten Gleitwinkel hat, sprich maximales Verhältnis von cL/cD.
Die Frage ist alt bei steilen Propeller immer kommt man vom Fortschrittsgrad in den Bereich des maximalen Wirkungsgrades. Steile Propeller wollen halt generell gerne nicht viel schieben, gerade bei niedrigen Fortschrittsgraden (Stall Bereich des Propellerblattprofiels). Aber auch bei (sehr) hohen Geschwindigkeiten, wo das Flugmodell durch seinen Widerstand einen entsprechenden Schub fordert / benötigt. Für beide Situationen ist es daher die übliche Praxis, wenn man den Durchmesser nicht vergrößern kann (aus welchen Beschränkungen auch immer) die Propellerplattzahl zu erhöhen.

Propeller mit einem quadratischen Verhältnis von P/D stellen in der Praxis (meine Erfahrung) halt ein sehr guten Kompromiss zwischen Schub unten rum und schnellen guten / senkrechten Steigflug dar. Für schnellen und effizienten Horizontalflug ist es aber besser auf größere Steigungsverhältnisse zu gehen mit dem Nachteil einer längeren Beschleunigungsphase.

Um über einen weiten Bereich des Fortschrittsgrades in einem guten Wirkungsgrad zu arbeiten gibt es bei den manntragenden Propellermaschinen CPP Systeme wo der Propeller mit konstanter Drehzahl läuft und die Fluggeschwindigkeit bzw. Schub über die entsprechende Steigung eingestellt wird.

 

[lastdownxxl]

Um über einen weiten Bereich des Fortschrittsgrades in einem guten Wirkungsgrad zu arbeiten gibt es bei den manntragenden Propellermaschinen CPP Systeme wo der Propeller mit konstanter Drehzahl läuft und die Fluggeschwindigkeit bzw. Schub über die entsprechende Steigung eingestellt wird.

Hallo,

ein konstant Speed Propeller wurde z. B. beim Rotax 936 Prototyp Flugmotor eingesetzt. Die redundante Motorsteuerung enthielt die Regelgesetze für diese Funktion, basieren auf einem komplexen Kennfeldregler, entworfen von meiner Wenigkeit.

Typ 936

Flugmotor

100jahre.rotax.com

Das gibt es auch schon im Modellflug, siehe im Link.

Gruss
Micha

 

[GC]

Wenn man von der optimalen Steigung spricht, so muss man angeben in welcher Hinsicht optimal.

Folgende Optimierungsziele sind sofort denkbar:
1. Optimaler Wirkungsgrad
2. Höchste Beschleunigung
3. Höchste Geschwindigkeit
etc.

Solange man dies nicht definiert sind wir wie die Blinden, die von der Farbe reden.
Ein Verstellpropeller ist immer ein Kompromiss, denn jeder Punkt hat eine berechnete Steigung, die nur für genau eine Stelluung optimal vom Wirkungsgrad ist.
Generell gilt die Aussage von Herrn Konrath (Gott hab ihn selig, GF von Kontronik): Immer besser zu viel Steigung als zu wenig. Spätestens wenn Vpitch unterhalb der Fluggeschwindigkeit liegt, dann bremst der Propeller nur noch, obwohl er einen hohen Standschub hat.

 

[lastdownxxl]

Wenn man von der optimalen Steigung spricht, so muss man angeben in welcher Hinsicht optimal.

Folgende Optimierungsziele sind sofort denkbar:
1. Optimaler Wirkungsgrad
2. Höchste Beschleunigung
3. Höchste Geschwindigkeit
etc.

Solange man dies nicht definiert sind wir wie die Blinden, die von der Farbe reden.

Hallo Gerhard,

der Steve hat nach optimaler Steigung in Bezug auf den Propellerwirkungsgrad gefragt, nicht nach Punkt 2 oder 3....

Wie beim E-Motor wird die max. Antriebsleistung beim Propeller nicht bei maximalen Wirkungsgrad erreicht.
Höchste Geschwindigkeit und Beschleunigung sind primär eine Funktion der Vortriebsleistung vom Propeller.

Zur Steigung, Geschwindigkeit und Propellerdrehzahl:

Mit der Steigung steigt linear die Strahlgeschwindigkeit, bei doppelter Steigung könnte man also mit der halben Propellerdrehzahl fliegen.
Leider sinkt der Propellerschub mit dem Quadrat der Propellerdrehzahl. Der Luftwiderstand vom Modell
steigt mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit, es ist also eine verflixte Angelegenheit mit der Propellerauslegung.

Gruss
Micha

 

[steve]

oh, ja...die weitere Abstimmung kann einen auf Trab halten. Da ist ein quadratischer Prop, idealerweise noch im Direktantrieb, eine sehr komfortable Lösung.

Auf der anderen Seite bieten untersetzte Multi-Props eine Menge Anpassungspotential. Etwas Know-how ist schon erforderlich aber alles keine Raketenwissenschaft.

Die eigentliche Frage nach der maximalen Steigung bleibt aber noch offen.

 

[Georg Funk]

Ich befürchte die wird offen bleiben, da sind so viele Faktoren im Spiel. Propellerprofil und damit der optimale Anstellwinkel des Propellers, Drehzahl bei der gewünschten Geschwindigkeit (andere Drehzahl/andere Geschwindigkeit ergibt einen anderen Anstellwinkel des Propellers), Luftwiderstand des Modells und damit der "Schlupf" des Propellers bei dieser Geschwindigkeit (der gleiche Propeller mit der gleichen Drehzahl hat bei einer "fliegenden Schrankwand" deutlich mehr Anstellwinkel als bei einem aerodynamisch optimalen Flugzeug. Das ist im großen und ganzen nur durch viele, viele Tests mit verschiedensten Propellern herauszubekommen.
Zu allem Überfluss ist ein optimal auf V-Max getrimmter Propeller beim Start eher schlecht und ein auf max Standschub ausgelegter Prop bringt halt keine Fluggeschwindigkeit. Da muss also jeder den für sich passenden Kompromiss finden.

 

[Jürgen Heilig]

…
Die eigentliche Frage nach der maximalen Steigung bleibt aber noch offen.

Ich dachte es ginge um die „optimale“ Steigung? Der Wirkungsgrad hängt von vielen Faktoren ab, wie bereits erklärt. Letztendlich läuft es immer auf einen Kompromiss hinaus, diktiert vom Antrieb, dem Luftfahrzeug selber und dessen Hauptaufgabe.

Propeller Performance: An introduction, by EPI Inc.

 

[Shark_PS]

Hallo zusammen,

die Frage nach der "optimalen" oder "maximalen" Steigung lässt sich nicht allgemein beantworten, sondern ist, wie jetzt schon einige angemerkt haben von der Anwendung mit entsprechenden Anforderungen und Randbedingungen / Beschränkungen anhängig. Bei einer konkreten Anwendung (ich nehme mal an es geht hier konkret um den Speedflug) sucht man, wie schon erwähnt, die bestmögliche Lösung / Kompromiss. Und da gehört neben dem kompletten Antriebsstrang (Propeller jetzt mal ausgenommen) vor allem die Aerodynamik des Modells hinsichtlich Widerstand mit hinzu. Allein dieser, in Kombination mit dem Modellgewicht wenn es um steilen Steigflug geht, bestimmt wie viel Schub für eine gewisse Geschwindigkeit benötigt wird und damit auch die benötigte minimale Leistung. Mit Motor- (Antriebsstrang) und Propellerwirkungsgrad kommt man dann auf die erforderliche Eingangsleistung. Aber das ganze ist sicherlich nichts neues für die, die sich mit dem Thema schon beschäftigt haben.

Der Widerstand steigt nun aber mit der Drehzahl/Umfangsgeschwindigkeit des Props im Quadrat. Es ist also sinnvoll, mit der Steigung rauf zu gehen, wenn der Wirkungsgrad verbessert werden soll.

Bezüglich des Schubs besteht aber die gleiche Abhängigkeit bzgl. der Drehzahl / Umfangsgeschwindigkeit. Da der benötigte Schub für eine bestimmte Anwendung sich aber nicht ändert, muss dieser bei niedrigerer Drehzahl irgendwie kompensiert werden. Nur die Steigung alleine wird da nicht reichen, also muss der Durchmesser oder die Blattzahl etc. erhöht werden um den Schub gleich zu halten. Und damit steigt dann auch wieder der Widerstand. Am Rande sein noch erwähnt, dass die Leistungsfähigkeit (Gleitzahl) eines Profils von der Re-Zahl abhängig ist, und besser wird je höher diese ist. Also hat die Absenkung der Drehzahl auch eine Limitierung bzgl. eines maximal erreichbaren Propellerwirkungsgrades.

Wenn man jetzt die Performance eines bestehenden und gut funktionierenden Modells optimieren möchte, würde ich mir erstmal anschauen bzw. versuchen zu ermitteln, wo man den aktuell mit den Wirkungsgrad des Propellers (Antriebs) überhaupt liegt. Dazu sind halt Daten erforderlich die man rechnerisch ermitteln kann (z.B. Widerstand) bzw. im Flug messen muss wie Airspeed, Drehzahl etc.. Diese muss man dann entsprechend analysieren und dann daraus ermitteln wo noch Optimierungspotential vorhanden ist. Eventuell hat man ja schon einen Propeller der nahe des optimalen / maximalen Wirkungsgrades arbeitet mit den ggf. gegebenen Einschränkungen / Randbedingungen und ein Problem liegt an einer anderen Stelle des Gesamtsystems.

Die genannten Propeller mit 13x31 und 13x33 haben ja ein P/D Verhältnis von ca. 2,38 bzw. 2,54 was schon sehr hoch ist. Rechnet man das entsprechend in den Steigungswinkel um bei 0,75R kommt man auf 45-47°. Mit Hilfe des von schon gezeigten Diagramm sieht man, dass man zwar immer noch hohe Wirkungsgrade erreichen kann, man aber prinzipiell schon über den Peak des maximal erreichbaren Wirkungsgrades schon hinaus ist, jedenfalls für die dort betrachtete 3-blättige Konfiguration. Für eine andere Konfiguration aus Blattzahl und Blattprofiel kann das aber schon wieder anders aussehen.
Soweit mir bekannt verschiebt sich der Peak des maximal erreichbaren Wirkungsgrades mit zunehmender Blattzahl hin zu höheren Steigungsverhältnissen weil sich die Blätter dann weniger gegenseitig beeinflussen. Der Peak-Wert an sich wird aber kleiner.
Generell ist der Wirkungsgrad am größten wenn die zu übertragene Leistung auf eine große Propellerkreisfläche verteilt wird, sprich der Propeller einen großen Durchmesser hat. Leider stehen dem aber immer Technische oder physikalische Grenzen im Wege, so dass man wieder bei dem besten Kompromiss landet.

 

[Window]

Der Vollständigkeit halber sei noch der Einblatt - Propeller erwähnt . ( hoher Wirkungsgrad ) bW ,Claus

 

[Wilf]

Die genannten Propeller mit 13x31 und 13x33 haben ja ein P/D Verhältnis von ca. 2,38 bzw. 2,54 was schon sehr hoch ist. Rechnet man das entsprechend in den Steigungswinkel um bei 0,75R kommt man auf 45-47°.

Bevor das Thema mit den Steigungsfanatikern endgültig davon galoppiert:
Irgendwo bei Anstellwinkeln von 10° pflegt die Strömung abzureißen. Darüber wächst nur noch der Widerstand, nicht aber der Schub. Eine auf maximalen Standschub optimierte Luftschraube zieht bis zu Anstellwinkeln von 10°. Darüber liefert die Luftschraube nur mehr Krawall, aber nicht mehr Schub.

Größere Winkel sind nur dann angezeigt, wenn die Fluggeschwindigkeit im Vergleich zur Luftschraubendrehzahl hoch ist.