Wie hängt bei einem Propeller mit konstanter Geschwindigkeit die Blattsteigung mit der Fluggeschwindigkeit und dem Wirkungsgrad zusammen?

Ich versuche zu verstehen, was das PHAK ( Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge der FAA ) für Propeller mit konstanter Geschwindigkeit angibt.

Erstens, warum erhöht sich bei einer festen Drehzahl Ihre Blattsteigung, wenn die Fluggeschwindigkeit zunimmt, und umgekehrt, wenn die Fluggeschwindigkeit abfällt? Liegt es daran, dass es diesen niedrigen AOA (2-4 Grad laut PHAK) mit dem relativen Luftstrom aufrechterhalten möchte? Wenn sich sein AOA erhöhen würde, z. B. wenn der Blattwinkel bei sinkender Fluggeschwindigkeit nicht geändert würde, würde der Luftwiderstand zunehmen und die Drehzahl sinken? Und wenn die Fluggeschwindigkeit zu hoch und der AOA zu niedrig ist, gibt es nicht genug Luftwiderstand, um die Blätter zu verlangsamen?

Beim Start möchten Sie maximalen Schub / Leistung. Wenn Sie die Blätter auf eine niedrige Steigung einstellen, erhalten Sie die maximale Drehzahl, da die Blätter weniger Biss aus der Luft nehmen. Dies hält auch den AOA der Klinge niedrig, was wiederum den Luftwiderstand verringert und den Aufbau der Drehzahl ermöglicht? Ist der maximale Schub in diesem Fall auch das Ergebnis davon, dass die Blätter aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeiten aus der höheren Drehzahl viel Auftrieb erzeugen (im Gegensatz zum Schub durch das Bewegen größerer Luftstücke)?

Warum wird bei Anstiegen/Kreuzfahrten eine niedrige Drehzahl bevorzugt? Wenn Sie die Blattneigung in diesen Flugregimen erhöhen, erhalten Sie eine kleinere AOA in Bezug auf den Wind, was nach meinem bisherigen Verständnis den Luftwiderstand verringert? Aber benötigt die Klinge, die größere Luftmengen aufnimmt, nicht sowieso mehr Kraft, um diese Drehzahl aufrechtzuerhalten? Ist es effizienter, Schaufeln Energie zu geben, um größere Luftmengen zu bewegen, als mit niedrigeren Schaufelwinkeln und höheren Drehzahlen zu laufen?

Und schließlich, in Bezug auf Blatt-AOA und relativen Wind, würde ein Blatt mehr Auftrieb erzeugen, wenn es einen höheren AOA hätte, aber auf Kosten eines zusätzlichen Widerstands am Blatt, der wiederum mehr Motorleistung erfordert? Ist dieser durch Luftwiderstand verursachte Luftwiderstand, weil es sich um ein Tragflächenprofil handelt?

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Danke! Der erste hat geholfen, es ein wenig zu verdeutlichen. Aber wissen Sie, warum wir aus physikalischer Sicht in der Lage sind, weniger Energie in die Luft zu übertragen und trotzdem die gleiche Vorwärtsbeschleunigung zu erhalten? Theoretisch scheint es so, als ob Sie X Energie benötigen, um X Kraft gegen den Luftwiderstand wirken zu lassen. Wie können Sie aus energetischer/mathematischer Sicht rechtfertigen, dass eine Klinge mit höherem Winkel weniger Energie verbraucht?
Können Sie die Geschwindigkeit auf der Autobahn halten, indem Sie die Gänge hochschalten und vom Gas gehen? Das Verdrehen des Propellers in Reiseflughöhe bei gleichzeitiger Verlangsamung der Drehzahl hat den gleichen Effekt. Wenn Sie beschleunigen möchten, um jemanden zu überholen, geben Sie Gas und schalten manchmal herunter. Dasselbe gilt für schnelleres Cruisen oder Klettern – nehmen Sie die Propellerdrehung zurück und erhöhen Sie die Drehzahl.
Ok, was Sie sagen, ist, dass Sie mit großen Blattwinkeln keinen hohen Schub erzielen können, aber der Horizontalflug ist kein Problem? Wenn Sie diesen zusätzlichen Schub brauchen, brauchen Sie mehr Drehzahl, was zu einem höheren Energieverbrauch führt?
Ja. Sie können den Steuerknüppel (Joch) zurückziehen, um den Aufstieg zu beginnen; Der Propellerregler sorgt dafür, dass die Motordrehzahl gleich bleibt, während die höhere Verdrehung Sie festsitzen lässt. Um weiter zu klettern, fügen Sie mehr Schub hinzu und drehen die Propellersteigung zurück, um mehr PS zu ermöglichen, effektiv herunterzuschalten und aufs Gas zu treten, um bei der Auto-Analogie zu bleiben.
@Flak, meiner Meinung nach wäre es informativer und klarer für die Leser, wenn Sie 10 verschiedene Fragen in Ihrem Beitrag aufteilen und separat stellen würden. Ansonsten sehr interessantes Thema.

Antworten (4)

Ein Propeller hat eine optimale AoA, wo das Schub-/Widerstandsverhältnis am höchsten ist. Ein variabler Propeller kann diese optimale AoA in einem breiten Geschwindigkeitsbereich aufrechterhalten und dadurch den Kraftstoffverbrauch reduzieren. Das ist alles, was es tut.

Starrflügelpropeller haben das Dilemma, dass sie beim Start maximalen Schub benötigen, und im Hochgeschwindigkeitsflug muss der Motor gedrosselt werden, um ein Überdrehen zu verhindern. Die maximale Motorleistung kann nicht bei jeder Fluggeschwindigkeit genutzt werden.

Warum erhöht sich Ihre Blattsteigung, wenn die Fluggeschwindigkeit bei einer festen Drehzahl zunimmt?

Um eine optimale AoA der Klinge aufrechtzuerhalten. Eine erhöhte Fluggeschwindigkeit verursacht eine Verringerung der Blatt-AoA bei konstantem Pitch.

Beim Start möchten Sie maximalen Schub / Leistung.

Sie wollen maximalen Schub. Dies wird dadurch erzeugt, dass der Propeller so schnell wie möglich dreht (nicht über der Spitzenmach), mit einer maximalen Blattneigung, bei der das Blatt nicht abgewürgt wird. Die Reduzierung der Blattsteigung zur Erhöhung der Drehzahl führt zu keiner Schuberhöhung: Leistung = Schub * Drehzahl.

Wenn Sie in diesen Flugregimen die Blattsteigung erhöhen, erhalten Sie eine kleinere AOA in Bezug auf Wind

Kein größerer AoA. Mehr Schub und mehr Drehmoment auf der Propellerachse.

Ist es effizienter, Schaufeln Energie zu geben, um größere Luftmengen zu bewegen?

Der Motor läuft am wirtschaftlichsten bei der RPW, bei der das maximale Drehmoment erzeugt wird, die Propellerdrehzahlregelung mit konstanter Drehzahl möchte diese Drehzahl beibehalten.

Würde ein Blatt mehr Auftrieb erzeugen, wenn es einen höheren AOA hätte, aber auf Kosten eines zusätzlichen Widerstands am Blatt, der wiederum mehr Motorleistung erfordert? Ist dieser durch Luftwiderstand verursachte Luftwiderstand, weil es sich um ein Tragflächenprofil handelt?

Ja und ja :)

Ok, und wenn Sie die Fluggeschwindigkeit erhöhen, möchten Sie die Neigung erhöhen, um eine optimale AoA aufrechtzuerhalten? Warum erhöht eine Verringerung der Steigung zur Erhöhung der AoA den Schub nicht? Benötigen Sie beim Steigen / Cruisen insgesamt weniger Schub, warum fahren Sie daher nicht mit hoher Drehzahl? Was meinst du mit einer Drehzahl, bei der das maximale Drehmoment erzeugt wird? Ist das Drehmoment nicht proportional zur Motorleistung?
@Flak, das sind mehr Motoreigenschaften als Propellereigenschaften. Die Drehzahl begrenzt die Leistung, sodass Sie für eine höhere Leistung eine höhere Drehzahl benötigen, aber dies verursacht mehr Motorverschleiß, sodass Sie eine niedrigere Drehzahl wünschen, wenn Sie nicht so viel Leistung benötigen. Kolbenmotoren beginnen ab einigen Drehzahlen an Drehmoment zu verlieren, da die Ladung einen längeren Teil des Hubs zum Durchbrennen benötigt und einen kleineren Teil für die Expansion übrig lässt, die die eigentliche Arbeit erledigt, sodass es Drehzahlen gibt, bei denen das Drehmoment am höchsten und der Motor am effizientesten ist. Turbinen hätten einen ähnlichen Effekt wie die Turbinenschaufeln mit fester Steigung, sind aber normalerweise durch Verschleiß stärker eingeschränkt.
@Flak, für die Propellereffizienz, wenn Sie bei niedriger Leistung eine hohe Drehzahl beibehalten, fliegen die Blätter mit zu geringer Steigung und erzeugen relativ zu viel Parasitenwiderstand für den Auftrieb. Sie möchten also die Drehzahl reduzieren, wenn Sie die Leistung reduzieren. Aber wenn Sie versuchen, zu viel Leistung bei niedrigen Drehzahlen aufzubringen, wird die Blattsteigung zu hoch und die Blätter laufen mit zu hoher Steigung, was zu viel induzierten Widerstand erzeugt oder sogar zum Stillstand kommt. Für den Propeller ist die optimale Drehzahl also auch proportional zur Leistung.
Ok, beim Cruisen stellen Sie die Drehzahl basierend darauf ein, was Ihre Leistungseinstellung sein soll, um sowohl die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten als auch effizient zu sein, indem Sie den induzierten Widerstand gegen Parasiten ausgleichen. Dies wird durch die richtige AoA auf den Klingen erreicht, die eine bevorzugte, effizienteste AoA haben, oder? Ist Drehmoment und Leistung nicht gleichbedeutend? Nur weil du mehr Leistung hast, bedeutet das nicht unbedingt mehr Drehmoment? Und Blätter, die sich langsam drehen, weil sie beim Start mit hoher AoA und niedriger Drehzahl nicht genug Schub erzeugen können, weil sie trotz ihrer hohen AoA nicht viel Geschwindigkeit haben, richtig?
Auch. Für Festpropeller. Ist Ihre Höchstgeschwindigkeit begrenzt, weil der AoA Ihres Blattes bei zu hoher Vorwärtsgeschwindigkeit unwirksam wird, wenn der relative Wind die Richtung ändert? Es kann also ausreichend Schub liefern, um den Luftwiderstand zu überwinden?
@Flak Power besteht sowohl aus Drehmoment als auch aus Drehzahl. In Spezifikationen für Automotoren wird beispielsweise eine maximale Leistung (@maximale Drehzahl) und ein maximales Drehmoment bei einer niedrigeren Drehzahl angegeben. In den höheren Drehzahlbereichen nimmt das Drehmoment ab, aber das Drehmoment * Drehzahl steigt aufgrund der Erhöhung der Drehzahl.
Ja, Festpropeller liefern keinen Schub mehr, wenn die lokale AoA Null erreicht. Der Prop mit konstanter Geschwindigkeit passt die Tonhöhe ständig an.
@Koyovis Ist es deshalb dumm, beim Start eine Klinge mit hohem AoA zu haben? Weil Sie wegen dieser höheren AoA so viel Drehmoment verwenden und wenig Drehzahl daraus ziehen? Und da Sie langsamen relativen Wind haben, gibt dieser hohe AoA nicht so viel Auftrieb?
Nur eine zu hohe Blattsteigung wäre dumm. Eine hohe AoA führt zu einem hohen Schub und einem hohen erforderlichen Drehmoment, und der Motor kann es bis zur maximalen Leistungsgrenze drehen. Versuchen Sie, darüber hinauszugehen, indem Sie mehr Blatt-AoA fordern, und die Drehmomentanforderung ist zu hoch für den Motor und die Drehzahl verringert sich => der Schub verringert sich.
@Flak, denken Sie daran, dass ein Propeller mit konstanter Geschwindigkeit bedeutet, dass Sie die gewünschte Drehzahl auswählen und der Regler die AoA auswählt, bei der der Motor ihn auf diese Drehzahl hochdrehen kann. Beim Start brauchen Sie Leistung, also müssen Sie eine hohe Drehzahl einstellen, aber die AoA kommt immer noch moderat heraus, weil der Motor viel Leistung produziert. Und dann erhöht sich die Tonhöhe beim Beschleunigen, um den relativen Wind auszugleichen, aber die AoA bleibt ungefähr gleich.

Eine wichtige Sache, die man im Auge behalten sollte, ist, dass das Propellersteuerungssystem keine Ahnung hat, was der Blattwinkel ist (außer bei Systemen im BETA-Modus, was ein ganz anderes Thema ist). Es ist ein Fliehgewichtsregler, der die Blätter nur gröber, feiner bewegt oder sie nur basierend auf der Motordrehzahl statisch hält, und die Geschwindigkeitseinstellung vom Propellerhebel erhöht oder verringert nur die Vorspannung einer Feder, die dazu neigt, die Fliehgewichte zu halten.

Der Gouverneur weiß einfach: Geschwindigkeit zu hoch, Fliegengewichte fahren aus, leitet Druck, um die Klingen grober zu bewegen; Geschwindigkeit zu langsam, Fliegengewichte ziehen ein, leitet Druck, um die Klingen feiner zu bewegen. Wie grob oder wie fein, weiß der Gouverneur nicht oder kümmert sich nicht darum.

Ein bestimmter Blattwinkel und AOA ist eine Funktion des vom Motor erzeugten Drehmoments und der Drehzahleinstellung. Es wird zu jeder Zeit ein optimales AOA geben, aber da wir das nicht speziell kontrollieren können, kümmern wir uns nur um die Drehzahl und lassen den Blattwinkel für sich selbst sorgen.

Da die Gesamtleistung eine Funktion des Ladedrucks und der Drehzahl ist, kann ich eine Reihe unterschiedlicher Motordrehzahlen und Drosselklappenöffnungen verwenden, um dieselbe Leistung zu erzielen. Es wird eine Geschwindigkeits- / MP-Einstellung geben, die ungefähr zu Blattwinkeln führt, die optimal sind, wenn Sie beispielsweise 85% Leistung erzielen, und dies wäre die empfohlene Leistungseinstellung für 85% Leistungssteigerung (normalerweise etwas in der Art von 25 "und 2500 U / min sagen wir) . Aber ich kann eine niedrigere Drehzahl und einen höheren MP verwenden, um die gleiche Leistung zu erzielen, wenn ich wollte, z.

Es gibt eine alte Säge, die besagt, dass solche "überquadratischen" Einstellungen (niedrige Drehzahl / hohe MP) schlecht sind, aber es ist nicht wirklich wahr, es sei denn, es wird auf die Spitze getrieben. Es ist von Vorteil, niedrigere Drehzahlen zu verwenden, z. B. 2100 U/min und 25 Zoll MP gegenüber 2300 und 23 Zoll, um die gleichen PS zu erzielen, da der Motor am meisten davon profitiert, alle hin- und hergehenden Teile zu verlangsamen. Weniger Reibung und daher weniger Wärme, und sehr wichtig, die Kolbenringgeschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke sind bei einer bestimmten Leistungseinstellung geringer (Kolbenringe nutzen sich basierend auf der zurückgelegten Strecke ab; verlangsamen Sie sie und sie gehen nicht so weit pro Einheit von Zeit). Die Zylinderinnendrücke sind höher, wenn sie über das Quadrat laufen, aber es sei denn, die Temperaturen sind hoch oder es gibt eine Detonation (ein Potenzial nur an den Extremen, wie WOT bei min. Drehzahl).

Im Betrieb sind es die Leistung und die Drehzahl, die das Hauptanliegen sind, nicht die Optimierung des Blattwinkels.

Werfen Sie einen Blick auf Seite 148 von Aerodynamics for Naval Aviators , einem großartigen Buch, das frei erhältlich ist. https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aviation/media/00-80T-80.pdf

Dieses Bild aus dem Buch zeigt, wie die Prop-Effizienz mit der Blattneigung und dem Vorschubverhältnis (das proportional zur Geschwindigkeit ist) zusammenhängt. Die Oberseite zeigt, wie es für eine Reihe fester Tonhöhen variiert.

Der untere Teil zeigt, wie sich die Propellereffizienz bei einem Propeller mit konstanter Geschwindigkeit ändert, der sich verschiebt β um die aus dem Propeller kommende Kraft zu absorbieren, was zu einer Blattposition führt, die für diese bestimmte Geschwindigkeit ideal ist.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die ideale Effizienzkurve für den Propeller mit konstanter Geschwindigkeit kann durch das Propellerdesign verschoben werden, wobei der Spitzenwirkungsgrad im Diagramm möglicherweise für Startbedingungen, Reiseflug usw. ausgelegt ist.

Beachten Sie auch im unteren Diagramm, wie sich der Schub mit dem Vorschubverhältnis ändert (es zeigt die Geschwindigkeit auf der horizontalen Achse, aber es ist wirklich das Vorschubverhältnis). Für Starts oder Landungen, bei denen Sie maximalen Schub wünschen und bereit sind, für eine gewisse Zeit auf Effizienz zu verzichten, möchten Sie den Propeller mit einem niedrigen Schubverhältnis betreiben. Es kommt natürlich vor, dass sich das Schubverhältnis beim Verlangsamen verringert, aber Sie können es weiter verringern, indem Sie die Drehzahl erhöhen, wenn Sie einen Motor haben, bei dem Motor- und Propellerdrehzahl nicht direkt gekoppelt sind (z. B. Turboprop mit einer N1- und N2-Turbine). Wenn Sie mit einer Dash-8 geflogen sind, werden Sie feststellen, dass sie beim Starten und Landen eine höhere Drehzahl und beim Auf- und Abflug eine niedrigere Drehzahl verwenden. Mehr verfügbarer Schub im Landemuster, mehr Effizienz im Reiseflug.

Eine weitere gute Referenz ist diese McCauley-Broschüre, in der

Professor Von Klippip beantwortet Ihre Fragen zu

Das McCAULEY PROPELLER-REGELSYSTEM MIT KONSTANTER GESCHWINDIGKEIT

FÜR OHNE GEGENGEWICHT DRUCK ZUR ERHÖHUNG DER STEIGUNGSPROPELLER AUF TYPISCHEN EINMOTORIGEN FLUGZEUGEN

Wenn man es liest, kann man sehen, wie Feder / Fliehgewichte / Öldruck den Kolben steuern, der die Stärke der Blattverdrehung bestimmt.

Onspeed-, Underspeed- und Overspeed-Bedingungen, die auf den Seiten 10 und 11 beschrieben sind, erörtern, wie eine konstante Geschwindigkeit (RPM) bei Steig- und Sinkflugbedingungen aufrechterhalten wird.

Tut mir leid, ich sehe keine Möglichkeit, es anzuhängen, Sie müssen sich mit dem Link befassen. Auf Seite 6 links und Seite 7 rechts sehen Sie das gesamte dargestellte Diagramm.

https://www.airtreknorth.com/uploads/4/7/2/4/4724302/von_klip_tip_cs_propeller.pdf

(druckt am besten auf 8,5 x 11, wenn es auf die Seitengröße skaliert wird).

Wie hängt bei einem Propeller mit konstanter Geschwindigkeit die Blattsteigung mit der Fluggeschwindigkeit und dem Wirkungsgrad zusammen?
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