Wie kann man den statischen Propellerschub realistisch modellieren?

Dies hängt im Wesentlichen von der Propellerbelastung und der Drehzahl ab. Wenn Sie mit den auf der Impulsscheibentheorie basierenden Ergebnissen nicht zufrieden sind, wäre der nächste Schritt die auf der Schaufelelementtheorie basierende Berechnung.

Wenn ich Sie wäre, würde ich sicherlich einige Testfälle mit einer bekannten Propellergeometrie durchführen, indem ich den Propeller skaliere. Eine der einfachsten Möglichkeiten, die ich mir vorstellen kann, ist die Verwendung von QPROP von Prof. Mark Drela am MIT. Dies ist eine kostenlose Software und obendrein ein Kommandozeilenprogramm, das sich für diese Art von Aktivität sehr gut eignet, da alle Parameter unterwegs geändert werden können, vorzugsweise über ein Bash- oder Python-Skript.

HTH

Ein Papier zur Schätzung des statischen Schubs mit einem C-172-Beispiel ist hier . Auch ein NASA - Bericht 447 zur Berechnung des statischen Schubs könnte von Interesse sein. Eine Excel-Tabelle zur Berechnung des statischen Schubs finden Sie hier . Es gibt eine SE-Diskussion hier und hier .

Die Formel für Schub ist ...

Where:
F     = thrust (Newton)
d     = prop dia (inch)
rpm   = rotation (per minute)
pitch = pitch (inch)
Vo    = aircraft speed (m/s)

Wenn Sie den Schub in anderen Einheiten wünschen: Um Newton in Gramm umzuwandeln, multiplizieren Sie Newton mit 1000/9,81. Um dann Gramm in Unzen umzurechnen, multiplizieren Sie Gramm mit 0,035274. Um Unzen in Pfund umzurechnen, teilen Sie Unzen durch 16.

Hinweis: Die Gleichung ist für eine „Standardtag“-Dichte auf Meereshöhe von 1,225 kg/m^3 hartcodiert.

Der Schub eines Propellers ist für verschiedene Fluggeschwindigkeiten nicht konstant. Eine Verringerung der Einströmgeschwindigkeit erhöht im Allgemeinen den Schub. Eine Verringerung der Flugzeuggeschwindigkeit bis auf null erhöht tendenziell den Schub noch weiter, jedoch kann in diesem Regime oft ein schneller Schubverlust beobachtet werden. Aus diesem Grund ist der Standschub eines Propellers keine so schrecklich wichtige Zahl für einen Propeller - das Bild eines Propellers, der unter statischen Bedingungen arbeitet, kann verzerrt und unscharf sein.

Solange sich ein Flugzeug nicht bewegt, arbeitet sein Propeller unter statischen Bedingungen. Durch die Fluggeschwindigkeit bewegt sich keine Luft zum Propeller, stattdessen erzeugt der Propeller seine eigene Anströmung. Ein Propeller mit seiner für den Betriebspunkt unter Flugbedingungen ausgelegten Sehnen- und Drallverteilung zeigt unter statischen Bedingungen keine sehr gute Leistung. Im Gegensatz zu einem größeren Helikopterrotor wird die Umströmung des relativ kleinen Propellers stark verzerrt und teilweise sogar abgerissen. Aus der Impulstheorie von Propellern lernen wir, dass der Wirkungsgrad bei niedrigeren Drehzahlen stark von der Leistungsbelastung (Leistung pro Scheibenfläche) abhängt und dieses Verhältnis bei einem Propeller viel höher ist als bei einem Hubschrauberrotor. Wir sind in der Lage, etwa 80-90% des Schubes zu erreichen, wie von der Impulstheorie für den Auslegungspunkt vorhergesagt,

Der Standschub hängt auch von der Anströmung ab, beeinflusst durch die Umgebung des Propellers (Rumpf, Seitenwind, Bodenfreiheit). Standschubmessungen sind problemlos möglich, die theoretische Behandlung ist jedoch sehr aufwendig und nur mit geringerer Sicherheit möglich als Berechnungen in der Nähe des Auslegungspunktes. Aufgrund lokaler Strömungsablösung kann das Verhalten von Propellern unter statischen Bedingungen sehr empfindlich in Bezug auf Blattwinkeleinstellungen und Tragflächenform sein.

Um sich ein Bild von der Bandbreite des Standschubs zu machen, wurden mehrere ältere NACA-Berichte und einige Veröffentlichungen aus Modellzeitschriften untersucht. Die Ergebnisse sind in der folgenden Grafik zusammengefasst.

Quelle

Die Quelle lieferte eine Modellflugzeug-Beispielberechnung, die auf Flugzeuge in voller Größe anwendbar ist.

Wir haben zwei verschiedene Propeller mit einem Blattwinkel von 10° bzw. 25°. Der erste hat einen Durchmesser von D = 200 mm, der zweite hat eine Größe von D = 300 mm. Welches wäre besser geeignet, um ein VTOL-Flugzeugmodell zu bauen? Wie viel Schub können wir mit einem .60-Motor mit 2000 W erwarten (ein geeignetes Getriebe vorausgesetzt)?

Aus dem obigen Diagramm lesen wir einen statischen Schubparameter von 0,32 [kg^(1/3)/m] bzw. 0,1 [kg^(1/3)/m] um die Mitte des blauen Bandes herum ab. Zur Berechnung der Schubkraft müssen wir diese Werte mit der Leistung P [W] und dem Durchmesser D [m] hoch 2/3 multiplizieren. Die Berechnung für den ersten Propeller (10° Blattwinkel) ergibt T = 0,32*54,288 [N] und damit einen Standschub von 17,4 N, während der zweite, größere Propeller nur 0,1*71,138 = 7,1 N liefert. Die Verwendung des gleichen Motors in einem Hubschrauber mit seinem großen Rotor von 1 m Durchmesser und geringen Steigungswinkeln würde uns eine Auftriebskraft von mehr als 55 N geben!

Dieses Beispiel zeigt, dass der Durchmesser eines Propellers für den Standschub genauso wichtig ist wie unter Flugbedingungen. Aber für den Standschub ist auch der Blattwinkel sehr wichtig - wahrscheinlich sogar noch wichtiger als für den Auslegungspunkt, wo ein Getriebe fast jede Propellersteigung und Fluggeschwindigkeit recht gut anpassen kann.