Würde das Verbinden von Propellerblättern mit einem durchgehenden Ring den induzierten Widerstand verringern?

Das, wovon Sie sprechen, existiert, sie werden Q-Tip-Propeller genannt.

Denken Sie daran, dass ein Propellerblatt nur ein Tragflügel ist - wie ein Flügel - und die grundlegende Aerodynamik sich nicht von einem Flügel unterscheidet. Aber die Rotation des Blattes erzeugt mehr Phänomene als ein Flügel, insbesondere der spiralförmige Wirbel, den man hinter dem Propeller sieht, und verursacht alle Arten von Propellereffekten .

Theoretisch würde uns nichts daran hindern, Winglets an den Propellerspitzen zu haben: Die Vorteile wären

1. Den Propeller effizienter machen, indem der induzierte Luftwiderstand reduziert wird (wie ein Winglet an einem Flügel)
2. Lärm reduzieren
3. Halten Sie die Geschwindigkeit der Propellerspitze auf Unterschall, indem Sie ihre Länge verringern

Das große Problem liegt in aerodynamischen Belastungen, und soweit ich weiß, gab es einige ziemlich spektakuläre Fehler während des Tests, also besteht die Lösung jetzt darin, den Spitzen einen größeren Schwung zu geben (sehen Sie das als gleichwertig mit der 777-Flügelspitze im Vergleich zu der 787 zum Beispiel). Probieren Sie Artikel zum Hartzell Q-Tipp aus .

Da Schiffspropeller breiter sind und größeren Drehmomentbelastungen standhalten können, haben moderne Propeller Winglets. Im Netz konnte man einige Bilder finden.

Wie andere bereits betont haben, erhöht das Anbringen des Rings an der Stütze die Belastung der Blätter erheblich. Der gleiche Effekt kann mit einem gut angepassten Ummantelung erzielt werden.

Es gab tatsächlich ein Flugzeug, das dieses Konzept nutzte , den RFB FanTrainer (siehe Bild unten). Um das Gewicht und die benetzte Fläche zu reduzieren, war der Propellerdurchmesser viel kleiner als bei einem normalen Propeller, sodass der Gesamtwirkungsgrad nicht besser war. Die kleineren rotierenden Trägheiten erzeugten jedoch einen eher turbinenartigen Effekt (weniger Präzession), sodass das Konzept für einen grundlegenden Trainer für zukünftige Jet-Piloten verwendet wurde.

Am Ende hatte der FanTrainer nur begrenzten Erfolg und wurde nach 50 gebauten Exemplaren eingestellt. Das Design war zu leicht, um alle Wünsche der Luftwaffe nach einem einfachen Trainer zu erfüllen, und der Privatmarkt war zu dieser Zeit schrumpfend und voller älterer Flugzeuge, die den kostenbewussten Kunden gleichermaßen gute Dienste leisteten. Allerdings bot er fast Jet-ähnliche Eigenschaften zu einem einzigartig niedrigen Preis pro Flugstunde.

Wenn Sie den Propeller für eine bessere Effizienz ummanteln möchten, müssen Sie im Allgemeinen die größere Oberfläche der Ummantelung akzeptieren, die schnell mehr Luftwiderstand hinzufügt, als Sie wahrscheinlich jemals einsparen werden, indem Sie die Strömung um die Propellerspitzen herum verhindern.

Was könnte durch das Umhüllen der Stütze gerettet werden? Der induzierte Widerstand wäre derselbe, da dieser von der Auftriebserzeugung herrührt . Die klassische Theorie für verlustminimierte Propeller von A. Betz und L. Prandtl fordert eine elliptische Auftriebsverteilung über die Propellerscheibe, so dass der Auftrieb an den Spitzen glatt abfällt. Eine künstliche Erhöhung würde nur helfen, wenn dies die Blattsehne an den Spitzen verringern könnte - da die Spitzen den höchsten dynamischen Druck erfahren, könnte dies tatsächlich zu einem geringeren Reibungswiderstand führen. Dieser Gewinn ist jedoch gering im Vergleich zu der massiven Erhöhung des Reibungswiderstands einer Ummantelung.

Bei hohen Geschwindigkeiten sind die induzierten Verluste klein und andere Faktoren werden dominant. Beachten Sie, dass Turbofans und hochbelastete Propeller nicht für minimale induzierte Verluste ausgelegt sind, sondern für maximalen Schub bei einem bestimmten Durchmesser. Ein ummantelter Propeller kann sich einer höheren Scheibenbelastung erfreuen, sodass Sie den gleichen Schub mit kleineren Blättern und niedrigeren Spitzengeschwindigkeiten erhalten, was zu einer hohen Geschwindigkeitseffizienz beiträgt. Kleinere Blätter führen zu weniger Reibungsverlusten am Propeller, und niedrigere Spitzengeschwindigkeiten führen zu einer höheren Reisegeschwindigkeit, bevor Mach-Verluste zu beißen beginnen.

Daher kann bei hohen Geschwindigkeiten ein Want hilfreich sein, wenn es nicht zu groß ist. Turbofan-Triebwerke leiden unter diesem Dilemma. Sie könnten viel höhere Bypass-Verhältnisse als heute haben, aber dies würde riesige Gondeln bedeuten, und der erhöhte Gondelwiderstand würde die Gewinne aus dem erhöhten Bypass-Verhältnis zunichte machen. Die aktive Laminarisierung der Gondelströmung ist hier der Weg in die Zukunft, aber die praktische Umsetzung steht noch aus.

Ein Impeller kommt dem, was Sie beschreiben, nahe, obwohl der Ring um den Propeller stationär ist, anstatt am Propeller befestigt zu sein und sich mit ihm zu drehen.

Der Hauptvorteil eines Impellers ist ein höherer Wirkungsgrad aufgrund geringerer Propellerblattspitzenverluste (im Wesentlichen induzierter Widerstand), aber dieser Effizienzvorteil geht bei höheren Geschwindigkeiten und/oder geringerem Schubbedarf verloren.

Bei "normalen" Flugzeugen überwiegen die Nachteile eines Impellers die Effizienzgewinne. Impeller werden hauptsächlich in Luftschiffen und VTOL-Flugzeugen wie der berüchtigten Bell X-22 verwendet . Sie werden auch in den meisten Jet-Modellflugzeugen verwendet.

Q-Tips und Impeller sind die Großen, um die Probleme zu lösen, an die Sie denken.

Ihre Ringidee wäre aus mehreren Gründen sehr schwierig umzusetzen, wobei das Gewicht im Vordergrund steht. Ein Metallring rund um den Propeller würde dem Flugzeug eine erhebliche Menge an Gewicht hinzufügen, was wahrscheinlich alle Effizienzgewinne zunichte machen würde, die Sie durch die Stabilisierung des Luftstroms erzielen. Außerdem erfahren die Spitzen eines Propellers bereits bei normalen Betriebsdrehzahlen mehrere tausend G. Dies ist akzeptabel, da die Stütze kontinuierlich leichter wird, wenn Sie sich den Spitzen nähern. Aber wenn Sie einen Metallring mit einem Gewicht von einigen Dutzend Pfund anbringen würden, wären die Kräfte astronomisch und Ihre Stütze würde sehr schnell versagen.

Ein zweites Problem ist, dass wir, um effiziente Propeller zu haben, die Blätter leicht drehen, um den Winkel zu ändern, in dem sie in die Luft beißen. Diese werden Propeller mit konstanter Geschwindigkeit genannt, und sie sind bereits etwas kompliziert. Wenn Sie den Propellerspitzen einen zweiten Drehpunkt hinzufügen, damit sie sich im Ring bewegen können, fügen Sie nur ein paar Lager, Fett, Gewicht und einen weiteren Fehlerpunkt hinzu.

Schließlich wäre das Ausbalancieren des Rings wahrscheinlich eine schwierige Aufgabe. Zuerst müsste Ihr Ring mit sehr genauen Toleranzen hergestellt werden, was ziemlich teuer wäre. Die kleinste Kerbe oder Delle im Ring (was bei Propellern häufig vorkommt) führt dazu, dass er aus dem Gleichgewicht gerät und mindestens Arbeit erfordert und höchstens dazu führen kann, dass der gesamte Propeller auseinander schüttelt. Dies ist bereits ein kleines Problem für Requisiten, aber wenn Sie Ihre schwere Scheibe von ihrem Drehpunkt auf einen langen Arm legen und sie dann unglaublich hohen G-Kräften aussetzen, verstärken Sie nur alle Fehler, die sie haben könnte.

Recherchieren Sie aus historischer Perspektive etwas über den Culver Channel Wing, der 1952-53 hergestellt wurde. Dieses zweimotorige (Schub-) Flugzeug hat zwei Kanäle, die den Propeller nicht vollständig umschließen, sondern Teil des Flügels sind. Dies führte zu extrem kurzen Startfähigkeiten, da der Luftstrom über dem Flügel nicht an die Vorwärtsgeschwindigkeit über Grund gebunden war. Ich würde sogar so weit gehen zu sagen, dass dies ein früher Schritt in Richtung Impeller-VTOL-Fähigkeiten war.

Dieser Artikel von Doug Robertson , der 2005 auf airport-data.com veröffentlicht wurde , enthält einige schöne Bilder und eine scheinbar gut recherchierte Geschichte des Flugzeugs.