Verstellpropeller: Warum sind sie auch mit konstanter Drehzahl?

Ich studiere für meine PPL , und nachdem ich Tragflächen, Auftrieb, Luftwiderstand, optimales L/D-Verhältnis, Propellerblätter und dergleichen durchgegangen bin, ist mir die Notwendigkeit eines Verstellpropellers absolut klar.

Mir ist auch klar, wie ein Verstellpropeller funktioniert, sowohl aus betrieblicher als auch aus mechanischer Sicht.

Was ich wirklich nicht verstehe ist warum . Was ist der Grundgedanke hinter seiner Umsetzung?

Warum muss ein Propeller überhaupt von der Kurbelwelle entkoppelt werden? Wie sind wir vom Reden über den Winkel einer Klinge dazu übergegangen, uns um ihre Drehzahlen zu kümmern? Wenn das Problem die Effizienz der Klinge aufgrund ihrer AoA war , warum sprechen wir dann überhaupt über RPMs?

Warum kann ich nicht einfach meinen großen, einfachen Knopf haben, mit dem ich den Neigungswinkel der Blätter direkt steuern könnte?

Die Steuerung der Blattneigung durch ihre Drehzahl und den Druck des Verteilers klingt für meinen sehr ungebildeten Verstand in der Tat nach einer sehr kontraintuitiven Art, ein Problem zu lösen.

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Nachdem ich über das Konzept von Propellern mit zwei Steigungen gestolpert bin, habe ich es geschafft, diese ausgezeichnete Seite zu finden , die die Entwicklung der Propellertechnologie klar beschreibt, von der "Ground Adjustable Pitch" über die "Two-Position" bis zur "Controllable Pitch" ( was ich im Grunde mit meinem Reglerbeispiel beschrieben habe), bis hin zur "Constant Speed" , die eine Weiterentwicklung der letzteren ist, aus Gründen, die bereits in einigen der Antworten ausführlich beschrieben wurden.

für eine etwas andere Perspektive: Die direkte Blattverstellung ist die Funktion eines Kollektivs in einem Hubschrauber. Es ist also nicht völlig unbekannt, aber Sie überwachen trotzdem die Drehzahl in Ihrer Rückkopplungsschleife aus den gleichen Gründen, die Peter in seiner Antwort umreißt.
Sicher, Sie könnten nur Flugzeuge mit FADEC-Systemen mit voller Autorität fliegen, immer nur mit Autopilot fliegen und nie etwas über all diese Dinge wissen müssen. Aber was passiert dann, wenn die FADEC oder der Autopilot ausfallen? (Antwort, entweder du stürzt ab oder du lernst manuell zu fliegen...)
Eine sehr einfache Analogie ist, dass ein Propeller mit fester Steigung wie ein Getriebe mit einer Geschwindigkeit, ein Propeller mit variabler Steigung wie ein manuelles Getriebe und ein Propeller mit konstanter Drehzahl wie ein Automatikgetriebe ist.
@MikeSowsun ja, die Frage war, warum es eine konstante Geschwindigkeit sein muss
Genau wie bei einem Automatikgetriebe sind Propeller mit konstanter Drehzahl einfacher zu verwenden und effizienter als die ständige Einstellung eines Propellers mit variabler Steigung.
"Warum kann ich nicht einfach meinen großen, einfachen Knopf haben, mit dem ich den Blatteinstellwinkel direkt steuern kann?" Du tust es, es ist das Blaue!
Beachten Sie, dass die frühesten Propeller mit variabler Steigung keine konstante Geschwindigkeit hatten. Das war eine spätere Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit, Effizienz und Sicherheit, aus den Gründen, die in vielen Antworten unten angegeben sind.
Die eingebettete Frage "Warum muss ein Propeller überhaupt von der Kurbelwelle entkoppelt werden?" deutet darauf hin, dass es ein Missverständnis darüber gibt, wie Propeller mit konstanter Drehzahl funktionieren - sie sind tatsächlich starr mit der Motorantriebswelle gekoppelt, entweder direkt oder über eine Untersetzungsgetriebekette mit festem Übersetzungsverhältnis. Das Propeller/Antriebswellen-RPM-Verhältnis ist daher fest, und der Regler des Propellers zwingt den Motor, indem er eine feste Propellerdrehzahl aufrechterhält, durch Variieren der auf den Motor ausgeübten Last, mit der entsprechenden Drehzahl zu laufen.
@sdenham du hast recht, meine worte waren schlecht gewählt.
Spitfire von A2A für Flight Simulator X verfügt über einen Dreiblatt-Propeller mit zwei Geschwindigkeiten von De Havilland. Technisch hat es 2 Geschwindigkeiten, aber Sie können Zwischengeschwindigkeiten haben. Es ist sehr interessant, weil Sie in diesem Fall direkt die Tonhöhe und nicht die Drehzahl steuern. Ich würde dringend empfehlen, mit dieser Simulation zu spielen, damit Sie die Einschränkungen und Ärgernisse eines solchen Systems klar verstehen. Grundsätzlich ist alles möglich, aber man muss den Platz bei jeder Geschwindigkeitsänderung babysitten.
@Salomanuel: "... du steuerst direkt die Tonhöhe, nicht die Drehzahl." Die Drehzahl ist nur ein Nebenprodukt der Änderung der Tonhöhe. Wenn Sie die Tonhöhe ändern, ohne die Leistung zu ändern, ändern Sie die Drehzahl. Es hört sich so an, als ob die Stütze in Ihrem Beispiel nicht so gesteuert wird, dass sie diese Drehzahl bei Leistungsänderungen beibehält, aber das wäre der einzige wirkliche Unterschied.

Antworten (8)

Wie sind wir vom Reden über den Winkel einer Klinge dazu übergegangen, uns um ihre Drehzahlen zu kümmern?

Wegen dem Motor. Ein Kolbenmotor läuft nur in einem engen Drehzahlbereich gut. Zu schnell gehen bedeutet

  • Schmierung kann ausfallen, was zu übermäßigem Verschleiß führt,
  • unvollständige Zylinderfüllung und Kraftstoffverbrennung, was zu Leistungsverlust führt,
  • erhöhte Trägheitslasten auf Kurbelwelle, Pleuelstangen und Kolben, die zu Rissen und schließlich zur Zerstörung des Motors führen, und
  • Ventilschwimmer durch unzureichende Ventilfederkräfte, was dazu führt, dass die Kolben in die Ventilköpfe schlagen.

Also sollte die rote Linie der Drehzahlanzeige respektiert werden.

Ebenso unerwünscht ist ein zu langsamer Motorlauf:

  • Da die Leistung proportional zur Drehzahl ist, erzeugt der Motor weniger Leistung, wenn er zu langsam läuft. Wenn Sie versuchen, mehr Leistung aus einem langsamen Motor zu erzwingen, muss der Innendruck steigen, wodurch die Gefahr besteht, dass der Motor überlastet wird.
  • Es gibt Drehzahlbereiche, die aufgrund von Resonanzen vermieden werden müssen, die schließlich zu mechanischen Schäden führen können.

Daher ist es am besten, den Motor im angegebenen Drehzahlbereich laufen zu lassen (nahe der roten Linie, wenn volle Leistung benötigt wird, etwas weniger für Teilleistung) und die Propellersteigung so einzustellen, dass die vom Propeller verbrauchte Leistung der vom Motor erzeugten Leistung entspricht. Jeder Unterschied zwischen beiden bedeutet, dass der Motor entweder schneller oder langsamer wird!

Du warst schneller als ich! -Niels
ah ok .. also ist es im Grunde eine technische Einschränkung. Ich meine, mit meinem hypothetischen Pitch-Regler könnte ich den Motor leicht dazu bringen, plötzlich weit aus seinem zulässigen Drehzahlbereich zu springen? Anstatt zu versuchen, einen optimalen Blattwinkel manuell einzustellen, konzentrieren wir uns darauf, die Motordrehzahl und den Ladedruck unter Kontrolle zu halten, indem wir den Anstellwinkel ändern. Wenn ich es gut verstanden habe.
Ich würde es nicht "unter Kontrolle halten" nennen, eher wie "Motorleistung automatisch optimieren" (oder "Propellersteigung automatisch optimieren", wenn Sie anders herum denken möchten). Wenn Sie einen separaten Pitch-Regler hätten, müssten Sie die Motorleistung ständig anpassen, um das Beste daraus zu machen. Vergleichen Sie es vielleicht mit einem CVT in einem Auto. Wo die Motordrehzahl ungefähr gleich bleiben sollte, weil das in seinem Leistungsband liegt.
Also, um es umzudrehen, ein Motor mit einem wirklich breiten Drehzahlbereich (wie ein Elektromotor) würde keine Prop-Pitch-Steuerung benötigen, er würde der Einfachheit halber nur die Motordrehzahl ändern?
@Criggie: Möglicherweise ja. Und auf der Flop-Seite ist eine konstante Geschwindigkeit für Turboprops sogar noch wichtiger als für Kolbenflugzeuge, da das Leistungsband einer Gasturbine noch enger ist als das eines Kolbenmotors.
@ontrack: Wenn man einen Propellersteigungsregler hätte, aber die Motordrossel automatisch gesteuert würde, um eine konstante Drehzahl aufrechtzuerhalten, wie würde sich das von einer manuellen Drosselung und einer automatischen Propellersteigung unterscheiden? Ich vermute, es war einfacher, die Steigung des Propellers basierend auf der Drehzahl einzustellen, als eine mechanische Verbindung zum Einstellen der Steigung zu haben, aber würde es sonst einen großen Unterschied geben?
Es war nicht gemeint, dass es einen Unterschied gibt, genau wie Sie sagen: Es ist im Grunde dasselbe.

Weil die Motordrehzahl die Variable in der Rückkopplungsschleife ist.

Wenn Sie einen schönen großen Knopf hätten, um den Klingenwinkel direkt einzustellen, woher würden Sie wissen, wann Sie ihn auf welche Einstellung einstellen müssen? Sie benötigen ein Feedback-Signal wie IAS und eine Grafik, die die Reglereinstellung anzeigt. Keine Möglichkeit zu überprüfen, ob Sie sich richtig eingestellt haben, und Sie wären sehr von dem Prozess absorbiert, ohne den Horizont scannen zu können.

Die Motordrehzahl ist ein gutes Feedback-Signal, weil:

  • der Pilot kann es hören, während er immer noch aus dem Cockpit schaut;
  • aber noch wichtiger ist, dass eine Änderung der Drehzahl eine Änderung des Motordrehmoments anzeigt, was ein direkter Hinweis auf die Blatt-AoA ist.

Unter Verwendung der Motordrehzahl ist es also einfach, eine automatische Rückkopplungsschleife einzubauen: Wenn die Drehzahl ansteigt, erhöhen Sie die Blatt-AoA, bis die Drehzahl zum ursprünglichen Sollwert zurückkehrt.

Danke, ja, daran habe ich auch gedacht, danke für den Hinweis auf die Feedback-Schleife.

Die Steuerung der Tonhöhe eines Rotorblatts durch seine Drehzahl und den Ladedruck klingt für meinen sehr ungebildeten Verstand in der Tat nach einer sehr kontraintuitiven Art, ein Problem zu lösen.

Es kommt auf das Problem an. Und hier besteht das Problem darin, die Drehzahl und den Saugrohrdruck innerhalb des Auslegungsbereichs des Motors zu halten.

Die Drehzahl ist begrenzt, weil die Beschleunigung der Kolben proportional zur Drehzahl ist und der Motor nur dafür ausgelegt ist, so viel zu bewältigen, und weil der Propeller nur dafür ausgelegt ist, so viel Zentrifugalkraft zu bewältigen. Bei Hochleistungsmotoren zerstört ein außer Kontrolle geratener Propeller (der bei voller Leistung völlig flach ging) den Motor in Sekunden.

Der Ladedruck ist begrenzt, weil er proportional zum Druck in den Zylindern ist und die Zylinder nur so viel aushalten können. Bei Überschreitung brechen die Zylinderköpfe ab. Und große Kompressormotoren können am Boden bei Vollgas weit über die rote MP-Grenze hinausgehen.

Daher scheint die Steuerung des Motors durch die beiden Hauptbegrenzungsparameter der optimale Weg zur Lösung des Problems zu sein.

Und da der Krümmerdruck ungefähr proportional zum Drehmoment ist (na ja, wenn Sie das Auslehnen ignorieren; das Auslehnen reduziert den Druck in den Kolben und damit die Leistung, aber nicht den Krümmerdruck), und die Leistung ist das Drehmoment mal der Winkelgeschwindigkeit, diese beiden Parameter kommen auch so nah wie möglich, um Ihnen die Motorleistung zu sagen.

Danke für deine Antwort, hat geholfen.
Wie verhält es sich, wenn der Pilot die Drosselklappe steuert und ein automatisches mechanisches System die Blattneigung steuert, im Vergleich dazu, dass die Pilotsteuerung die Blattneigung und ein mechanischer Drehzahlregler die Drosselklappe steuern?
@supercat Die direkte Steuerung der Tonhöhe und die Verwendung des Reglers für das Gas wird für Hubschrauberrotoren verwendet. Es bietet eine sofortige Auftriebsreaktion im Gegensatz zu Gas / Leistung, die bei Turbolader- und Turbinenmotoren eine merkliche Verzögerung aufweist, aber es funktioniert nur so, weil in der Rotation des Rotors erhebliche Energie gespeichert wird, sodass sich die Rotordrehzahl nur geringfügig ändert, bevor der Motor aufholt .
@JanHudec: Ich hatte nicht über die Wirkung eines Turboladers nachgedacht, aber ich kann sehen, wie man in einem manuell gesteuerten Flugzeug ein katastrophales Szenario erstellen kann. Wenn das schnelle Hinzufügen von Pitch dazu führt, dass die Drehzahl so weit abfällt, dass der Turbolader an Wirksamkeit verliert, kann der Motor möglicherweise selbst bei Volllast nicht wieder auf Drehzahl kommen, es sei denn, oder bis der Pitch zurückgewählt wird. Wenn man aufgrund eines plötzlichen Strombedarfs schnell Tonhöhe hinzufügt, kann dies sehr schlecht werden. Eine drehzahlgeregelte Propellersteigung würde dieses Szenario automatisch erledigen.

Es gibt einen ziemlich engen Drehzahlbereich, der für eine bestimmte Flugphase optimal ist. Um diese optimale Drehzahl aufrechtzuerhalten, wenn die Motorleistung geändert wird (z. B. damit das Flugzeug schneller oder langsamer fährt), muss sich die Blattsteigung ändern. Beim Hinzufügen von Leistung/Drehmoment erhöht das Blatt seine Steigung (AoA), um die eingestellte/gewünschte Drehzahl beizubehalten. Beim Reduzieren von Leistung/Drehmoment verhält es sich umgekehrt.

Ohne Propeller mit konstanter Drehzahl werden Leistung und Wirkungsgrad reduziert.

Übrigens haben die meisten Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt mit Propellern mit konstanter Geschwindigkeit tatsächlich einen Knopf, mit dem der Pilot die Drehzahl des Rotorblatts steuern kann. (Der Prop-Reglermechanismus ändert den Neigungswinkel des Blatts, um die ausgewählte Drehzahl beizubehalten).

Warum kann ich nicht einfach meinen großen, einfachen Knopf haben, mit dem ich den Neigungswinkel der Blätter direkt steuern könnte?

Wie würde Ihnen das beim Betrieb des Flugzeugs helfen? Welche Tonhöhe möchten Sie in einer bestimmten Flugphase?

Die Steuerung der Tonhöhe eines Rotorblatts durch seine Drehzahl und den Ladedruck klingt für meinen sehr ungebildeten Verstand in der Tat nach einer sehr kontraintuitiven Art, ein Problem zu lösen.

Welches Problem versuchst du zu lösen?

Bei vielen Flügen möchten Sie den Motor mit einer bekannten Leistungseinstellung (insbesondere im Reiseflug) und einer effizienten Drehzahl laufen lassen. Die Propellersteuerung ermöglicht die Einwahl und Aufrechterhaltung über eine Reihe von Flugbedingungen. Der spezifische Blattwinkel, der diese beiden unterstützt, kann je nach den Bedingungen variieren.

Wenn Sie also eine "Blattwinkel"-Steuerung hätten, benötigen Sie entweder zusätzliche Informationen und mehr Berechnungen, um den gewünschten Winkel zu finden, oder Sie müssen einige andere Parameter optimieren, um sie zu verwenden.

Aus dem gleichen Grund, aus dem Ihr Auto Zahnräder hat. Warum können Sie nicht einfach Ihr Auto an erster Stelle setzen und mit 70 Meilen pro Stunde fahren, während Ihr Motor mit 50.000 U / min läuft? Oder den höchsten Gang einlegen und aus dem Stand losfahren?

In einem Auto erledigt das ein Automatikgetriebe für Sie. Aber Sie fahren hier im Grunde einen Schalthebel, also müssen Sie es selbst tun. Nur dass Sie anstelle von festen 4 oder 5 Gängen (und Neutral) eine genauere Wahl treffen können.

Tatsächlich wäre die direkte Steuerung der Tonhöhe wie ein Stick-Shift – das Beschleunigen erhöht die Motordrehzahl und Sie müssen sie durch Schalten zurückregeln. Der Propeller mit konstanter Geschwindigkeit ist das Äquivalent eines Flugzeugs zu einem perfekten automatischen Antrieb mit variabler Geschwindigkeit. Und der Prop-Hebel entspricht im Grunde dem Hebel, der den Sport- oder Sparmodus umschaltet – halten Sie im Sportmodus eine höhere Drehzahl für mehr Leistung oder eine niedrigere Drehzahl für einen geringeren Kraftstoffverbrauch. Einige moderne Flugzeuge wie der PC-12 haben nicht einmal eine gleichmäßige Drehzahl, sondern nur die beiden Einstellungen für maximale Leistung und wirtschaftlichen Reiseflug.
Meiner Meinung nach die genaueste Antwort. Und ich würde hinzufügen, dass Rennwagen etwas mehr Gänge haben als gewöhnliche Autos, weil sie optimierter sind.
Diese Antwort spricht die Notwendigkeit eines Propellers mit variabler Steigung an, erklärt jedoch nicht, warum es auch eine konstante Geschwindigkeit sein sollte, dh warum dies unter Verwendung von Drehzahlen und Saugrohrdruck erfolgen muss und nicht durch direkte Änderung der AoA wie bei einem Propeller mit "steuerbarer Steigung".
@ user815129: Sie missverstehen die Antwort, sie besagt, dass die Drehzahl aus den gleichen Gründen konstant ist, aus denen ein Automotor in einem sehr engen Drehzahlbereich arbeitet. Die eigentliche Ursache ist, dass Motoren Drehmoment- und Leistungskurven mit Maxima haben und daher bei diesen spezifischen Drehzahlen verwendet werden, sonst würden Sie viel mehr Kraftstoff verbrauchen und könnten nicht die volle Leistung/das volle Drehmoment erreichen. Das gilt für ein Auto und für ein Flugzeug. Hier können Sie mehr lesen .

Die AoA der Propellerblätter hängt sowohl von ihrer Steigung als auch von der Propellerdrehzahl im Verhältnis zur tatsächlichen Fluggeschwindigkeit ab. Sie schnitzen eine Schraube schneller durch die Luft, als das Flugzeug tatsächlich fliegt.

Wenn Sie sagen "warum reden wir überhaupt über RPMs", meinen Sie wohl, warum wir davon sprechen, sie nahezu konstant zu halten? Oder eine Rückkopplungsschleife aufbauen , um dies zu erreichen?

Wenn es nicht annähernd konstant gehalten würde, müssten wir definitiv noch darüber sprechen, in Verbindung mit geeigneten Einstellungen für die Propellersteigung, um eine gute AoA für die Blätter bei verschiedenen wahren Fluggeschwindigkeits- und Leistungseinstellungen aufrechtzuerhalten. (Wenn die benötigte Leistung beim Steigen oder Sinken variiert und der Luftwiderstand stark von der angezeigten Fluggeschwindigkeit abhängt.)

Und das setzt natürlich voraus, dass wir einen Motor hatten, der die gewünschte Leistung über einen Bereich von Drehzahlen erzeugen konnte, oder das zusätzliche Gewicht eines Mehrgang- oder stufenlosen Getriebes, wie Sie es in einem Auto benötigen, in dem keine konstante Raddrehzahl vorhanden ist eine Option. Das haben wir bei Verbrennungsmotoren nicht, wie einige andere Antworten erklären.

Für was es wert ist:

Ich erinnere mich an die Piper Cherokee Six D 300 meines Vaters. Sie hatte einen Propeller mit konstanter Geschwindigkeit; Der Gasquadrant hatte drei Bedienelemente: Gas, Gemisch und Drehzahl.

Während des Starts, des Rollens, des Starts und des anfänglichen Steigflugs wurde der Drehzahlhebel immer ganz nach vorne gestellt (maximale Drehzahl). Der Propeller bewegte sich zum größten Teil bis zu seiner Feinsteigungsgrenze und blieb dort, weil der Bodenbetrieb nie genug Leistung erforderte, um den Propeller zu vergröbern, um den Motor zu laden. Die Ausnahmen waren während der Anlaufprüfungen, als ein Checklistenpunkt darin bestand, den Drehzahlhebel zu drehen (den Propeller in grobe Steigung zu bringen), und es schien während des Starts, als das Vorrücken auf Vollgas von einer Motordrehzahl begleitet wurde, die auf eine Drehzahl angehoben wurde , einmal erreicht, änderte sich nicht mit zunehmender Fluggeschwindigkeit oder Nicklage.

Nach dem Ausstieg, wenn die Motorleistung reduziert wurde, wurde der Drehzahlhebel ebenfalls zurückgenommen, um eine Reise- oder Reisesteiggeschwindigkeit zu erreichen.

Als die Leistung für den Abstieg reduziert wurde, wurde der Drehzahlhebel normalerweise wieder ganz nach vorne gestellt. Dies diente hauptsächlich dazu, das Energiemanagement zu vereinfachen - auf die gleiche Weise wurde die Gemischregelung normalerweise auf vollfett eingestellt, wenn sie nicht im Reiseflug war.

Dies soll einige wichtige Punkte veranschaulichen:

  1. Bei niedrigen Leistungseinstellungen, wenn der Propeller an seinem "feinen" Stopp steht, folgt der Motor im Grunde einer Leistungs- / Drehzahlkurve, genau wie beim Drehen eines Propellers mit fester Steigung, und das ist in Ordnung, da keine großen Anforderungen an ihn gestellt werden Der Schub, den es erzeugt, ist alles, was Sie zum Rollen brauchen.
  2. Bei Vollgas gibt es eine optimale Drehzahl, mit der der Motor laufen sollte (wie in einer anderen Antwort erläutert). Da dies die maximale Drehzahl ist, mit der der Motor jemals laufen sollte, sollte der Propeller für diese Drehzahl an seinem vorderen Anschlag kalibriert werden.
  3. Beim Cruisen wird das Gas reduziert, also sollte die Drehzahl auch sein (auch hier gibt es ein Optimum). Da sich das Flugzeug mit hoher Geschwindigkeit durch die Luft bewegt, muss die Propellersteigung erhöht werden, damit die ausgewählte Motorleistung bei dieser reduzierten Drehzahl angewendet wird.
Verstellpropeller: Warum sind sie auch mit konstanter Drehzahl?
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