Warum bevorzugen Hubschrauber keine kürzeren Rotoren mit mehr Blättern? [Duplikat]

Mein Verständnis von Hubschraubern ist, dass trotz theoretisch steigender Effizienz längere Rotorblätter in der Praxis in jeder Hinsicht schlechter sind als kurze (außer vielleicht Kosten):

  1. Längere Blätter sind anfälliger für Vibrationen und Resonanzdynamiken, schon allein deshalb, weil ihre Steifigkeit durch die Länge verringert wird und alles andere konstant bleibt.

  2. Längere Klingen bieten weniger Betriebsspiel.

  3. Längere Blätter blockieren nicht nur vor kürzeren Blättern (Rückzug), sondern erreichen auch die kritische Machzahl bei niedrigeren Luftgeschwindigkeiten (Fortbewegung).

  4. Weniger Blätter erfordern höhere Rotationsgeschwindigkeiten für eine gegebene "Rotorscheiben"-Fläche, was nicht nur aus Sicht der Aerodynamik, sondern vermutlich auch aus Sicht der Übertragung und Steuerung ineffizient ist.

Aber alle Helikopter haben wenige Rotorblätter von beträchtlicher Länge. Also: Was sind die Vorteile längerer Blätter bzw. Nachteile kürzerer Blätter, die zu den gängigen Rotordesigns führen?

Ich würde mir vorstellen, dass es im Grenzbereich optimal wäre, etwas eher wie ein Kanalturbinensegment zu betreiben, bei dem der überstrichene Bereich praktisch mit der Schaufeloberfläche bedeckt ist (dh die Anzahl der Schaufeln über der überstrichenen Scheibe maximiert wird).

In Anbetracht dessen, dass die Blattgröße in der Praxis etwas proportional zur Körpergröße des Flugzeugs zu sein scheint , folgere ich, dass in der Praxis der Großteil des Abtriebs in einem minimalen Abstand vom Flugzeugkörper erzeugt werden muss, allerdings mit etwas Aufmerksamkeit auf die Vertikale des Körpers Der aerodynamische Aspekt scheint reduziert werden zu können. Ich denke, Kipprotoren könnten diese Hypothese stützen, da ihre Rotoren in einem Abstand vom Körper positioniert sind und sie kleinere Rotoren verwenden , obwohl es so aussieht, als würden sie angesichts der Flügelgröße und Körperkonfiguration immer noch so große Blätter wie möglich verwenden.

@foot - Die beste Antwort auf diese Frage ist die Inspiration für diese Frage; es antwortet nicht (soweit ich das beurteilen kann).
@feetwet, diese Antwort besagt unter anderem, dass „… die Effizienz verbessern, was Sie tun könnten, indem Sie die Klingen länger machen “.
dafür stimmen, diese Frage offen zu lassen. Die Frage ist präziser und hat bessere Antworten angezogen als die andere inspirierende Frage
@JanHudec - Nur bearbeitet, um zu verdeutlichen, dass ich nach allem frage, außer diesem einen Punkt zugunsten langer Klingen.
Für einen Ingenieur bedeutet „besser in jeder Hinsicht außer Effizienz“ grob übersetzt „schlechter“. Operatoren neigen dazu, es auch so zu übersetzen.
@reirab - Ich betone die theoretische Effizienz: Wenn Sie in der Praxis keine theoretischen Vorteile erzielen, sind sie nichts wert!
@feetwet Wer hat gesagt, dass wir die Vorteile in der Praxis nicht sehen? Der springende Punkt bei der Theorie ist, zu beschreiben, was wir in der Praxis erwarten würden.
@feetwet, Ein Rotor mit kleinerem Durchmesser und vielen sich langsam drehenden Blättern kann wie die Flügel eines Flugzeugs stehen bleiben. Sie können also die Anzahl der Blätter nicht erhöhen, indem Sie die Drehzahl und den Propellerdurchmesser verringern (um die Leistung und den Schub konstant zu halten), da Ihr Propeller den Strömungsabriss erreicht.
@ Energizer777 - Danke, ich wusste nicht, dass das ein Faktor ist - oder zumindest einer, der nicht einfach mit aggressiveren Klingen wegkonstruiert werden kann. Könnte eine Antwort wert sein, wenn Sie erklären können, wann / warum Designgrenzen mit niedrigeren Drehzahlen nicht zurechtkommen.

Antworten (3)

Der Rotor beschleunigt die Luft nach unten und erzeugt so eine nach oben gerichtete Reaktionskraft auf die Blätter, die das Fahrzeug anhebt.

Die Auftriebskraft ist gleich

L = m ˙ Δ v

wo m ˙ der Massendurchsatz durch den Rotor und ist Δ v ist die Geschwindigkeitsänderung der Luft. Um die Luft auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen, muss sie ihr kinetische Energie zuführen. Dies erfordert Kraft

D = 1 2 m ˙ Δ v 2

(der induzierte Widerstand).

Jetzt wird ein Rotor mit kleinerem Durchmesser weniger Luft beeinflussen können, also die m ˙ wird niedriger sein. Um den gleichen Auftrieb zu erzeugen, muss er größer sein Δ v und daher wird es einen stärkeren Motor benötigen (bis zu einem gewissen Punkt, da längere Blätter einen höheren Formwiderstand haben, der schließlich die Verringerung des induzierten Widerstands aufwiegt) und, was noch wichtiger ist , mehr Kraftstoff verbrennen .

Die Blätter beeinflussen wie die Flügel die Luft bis zu einem erheblichen Abstand über und unter ihnen, sodass Sie nicht viele Blätter benötigen, um die gesamte Luft im Rotorbereich zu nutzen. Aber egal wie viele Blätter Sie hinzufügen, sie wirken sich immer noch nur auf die Luft im Rotorbereich aus, sodass sich die Effizienz nicht wesentlich ändert.

Tiltrotoren haben relativ kleine Rotoren und das macht sie beim Schweben furchtbar ineffizient. Aber sie verbringen die meiste Zeit nicht im Schweben, sie fliegen die meiste Zeit irgendwohin und im Starrflügelmodus sind sie schneller und effizienter, was die schlechtere Effizienz bei Start und Landung aufwiegt.

Siehe auch: Gibt es eine Gleichung, um Geschwindigkeit, Schub und Kraft zu binden? (über die gelöschte Antwort von Energizer777).

Die Effizienz eines Rotorblattes ist also proportional zu seiner Länge? Das heißt , der einzige Grund, warum angetriebene Drehflügelflugzeuge jemals mehr als zwei Hauptblätter verwenden, ist, dass sie eine strukturelle Grenze ihrer Blattlänge erreicht haben ?
@feetwet, die Blattlänge ist (zusätzlich zur strukturellen Festigkeit) durch die Spitzengeschwindigkeit begrenzt, und dann kann nur so viel Auftrieb durch ein einzelnes Blatt erzeugt werden, dass für einen höheren Auftrieb (und damit eine Kapazität) mehr Blätter benötigt werden. Der Wirkungsgrad ist jedoch proportional zum Rotordurchmesser, daher wird ein größerer Rotor bevorzugt, da er einen geringeren Kraftstoffverbrauch und damit eine größere Reichweite und niedrigere Betriebskosten bietet.

Die Anzahl der (Hauptrotor-) Blätter in einem Hubschrauber hängt von einer Reihe von Parametern ab; Normalerweise gibt es jedoch einige große Probleme mit einer großen Anzahl von Rotorblättern in einem Hubschrauber:

  • Ein Hauptgrund ist die Effizienz – im Allgemeinen gilt: Je weniger Schaufeln, desto effizienter das System – da es den Impuls von mehr Luftmasse ändert, dh mehr Luft um einen geringeren Betrag beschleunigt (ähnlich dem Bypass von Turbofan-Triebwerken).

  • Im Allgemeinen wird die Leistung des Hubschrauberrotorsystems eher durch die Festigkeit (dh das Verhältnis der Blattfläche zur gesamten Scheibenfläche) als durch die Anzahl der Blätter beeinflusst.

  • Wenn die Anzahl der Blätter zunimmt, nimmt die Wechselwirkung des nachfolgenden Blattes mit dem Wirbel des vorrückenden Blattes zu (dh das Blatt fliegt in den Nachlauf des vorhergehenden Blattes), was den erzeugten Auftrieb beeinflusst.

  • Mehr Blätter bedeuten eine komplexere Rotornabe (mehr Teile führen normalerweise zu mehr Problemen - Wartung und Sonstiges) und mehr Störungen im inneren Bereich der Blätter. Außerdem wird der Widerstand der Rotornabe erhöht.

  • Eine Sache, die Sie vermissen, ist die Klingengeschwindigkeit v (in L   =   1 2   ρ   v 2   S ) ist an sich abhängig von der Klingenlänge (und Drehzahl, durch v   =   R ω ). Dies bedeutet, dass sie sich mit abnehmender Blattlänge proportional schneller drehen müssen, um den gleichen Auftrieb zu erzeugen – daher sind die Spitzengeschwindigkeiten kleinerer Blätter in Wirklichkeit höher. Üblicherweise trägt das innere Längendrittel eines Rotorblattes nur sehr wenig zum Auftrieb bei.

  • In Bezug auf Vibrationen (obwohl es besser ist, mehr Blätter zu haben) muss das gesamte Rotorsystem als Einheit und nicht als einzelne Blätter betrachtet werden, und die wichtigste Überlegung ist die Rotorgeschwindigkeit und ihre Oberschwingungen und nicht die Blattlänge .

Wenn ich alles andere konstant halte, gehe ich davon aus, dass eine Verringerung der Scheibenfläche (aufgrund der Verkürzung der Blätter) durch das Hinzufügen von Blättern anstatt durch eine Erhöhung der Drehzahl kompensiert werden kann . Ich nehme an, basierend auf der Schaufeldichte in effizienten Turbinenventilatoren, dass Nachlaufstörungen ein lösbares Problem sind, selbst wenn dafür ein Stator oder ähnliches erforderlich ist?
In Bezug auf den Luftwiderstand und die Komplexität der Rotornabe: Ist dies vollständig ein Artefakt der Flugzeugbewegung translatorisch zur Rotorebene und die Notwendigkeit, den Anstellwinkel jedes Blatts während einer einzigen Drehung während des Translationsflugs zu ändern? Wenn nicht, was dann? Denn auch Verstellpropeller benötigen keine außerordentlich komplizierten oder großen Naben.
@feetwet - Der fünfte Punkt oben erklärt, warum diese Annahme nicht zutrifft. Die Spitzen der Schaufeln bewegen sich schneller als der Abschnitt, der näher an der Nabe liegt. Der Geschwindigkeitsunterschied ist linear basierend auf dem Rotordurchmesser, jedoch wächst die Energiemenge (und damit die Auftriebs-/Schubmenge) mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Um also Ihren Rotordurchmesser zu halbieren, ohne die Drehzahl zu erhöhen, benötigen Sie die 4-fache Anzahl an Blättern. Das ist, wenn Sie die Masse Ihres Fahrzeugs genau gleich halten können. Realistischerweise würde Ihre Masse zunehmen, was entweder noch mehr Klingen oder mehr Drehzahl bedeutet.

Die Rotorblätter eines Hubschraubers sind lange, schmale Tragflächen mit einem hohen Seitenverhältnis, einer Form, die den Luftwiderstand von Spitzenwirbeln minimiert (siehe die Flügel eines Segelflugzeugs zum Vergleich). Sie enthalten im Allgemeinen einen gewissen Grad an Auswaschung, der den an den Spitzen erzeugten Auftrieb reduziert, wo der Luftstrom am schnellsten ist und die Wirbelbildung ein erhebliches Problem darstellen würde.

Quelle: Wikipedia .

Daher wäre eine größere Anzahl von sich langsamer bewegenden Blättern attraktiv, oder? Dies scheint eine Ausarbeitung von Punkt 4 in der ursprünglichen Frage zu sein.
@feetwet, nein, würden sie nicht, denn das, was den „Widerstand von Spitzenwirbeln“ minimiert (die Wirbel sind Wirkung, nicht Ursache des Luftwiderstands), ist die Spannweite.
@JanHudec - vielleicht rechtfertigt dies eine separate Frage, aber ist ein uneingeschränkter Spitzenwirbel nicht ein Artefakt langer Klingen ? Bei ausreichend kurzen, starren Blättern könnte man vermutlich Flügelspitzenvorrichtungen hinzufügen, um dem Spitzenwirbel entgegenzuwirken? Oder verwenden Sie im Grenzfall einen Kanalrotor (wie in der ursprünglichen Frage vorgeschlagen)?
@feetwet, nein, der Wirbel entsteht einfach dadurch, dass die Luft innerhalb des Rotordurchmessers nach unten beschleunigt wird und die Luft außerhalb davon nicht. Und wie ich in der anderen Antwort erklärt habe, muss ein kleinerer Rotor die Luft auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigen, was stärkere Wirbel verursacht (Site-Hinweis: Die Kanalisierung ändert das Bild nicht wesentlich; es gibt immer noch zwei Luftmassen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit).
@JanHudec - Bist du sicher? Mein Verständnis ist, dass Flügelspitzenwirbel , die den Flügelspitzenauftrieb und die Energieverschwendung reduzieren, die "Auswaschwirbel" erzeugen, eine Funktion davon sind, dass Luft zentripetal über das Ende des Tragflügels gleiten darf, und dass diese Verluste durch Verwendung von Flügelspitzenbarrieren erheblich gemildert werden können. Natürlich sind Downwash-Wirbel ein separates Phänomen, das primär eine Funktion der Rotordrehzahl ist. Aber wie an anderer Stelle hier vorgeschlagen: In erster Linie kann man für eine bestimmte Rotorscheibenfläche und Blattgeschwindigkeit den Abtrieb erhöhen, ohne die Rotorgeschwindigkeit zu erhöhen, indem man Blätter hinzufügt, oder?
@feetwet, ich habe noch nie gelesen oder gehört, dass die Scheitelpunkte „Wingtip“ und „Downwash“ getrennt werden. Es ist wirklich ein einzelner Wirbel, der hauptsächlich durch den Abwind und zu einem kleinen Teil durch die Querströmung verursacht wird. Der Beitrag der Querströmung beträgt höchstens wenige Prozent.
@JanHudec - Betrachten Sie noch einmal den Extremfall von Propellern: Sobald sie eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen, benötigen sie einen Kanalring, der eigentlich nur eine geschlossene Flügelspitze ist, und an diesem Punkt gibt es keinen Spitzenwirbel.
@feetwet, Ja, es gibt immer noch einen Wirbel. Es ist kein Wingtip/Proptip-Wirbel mehr, weil er eher um den Kanal herum ist als um die Spitzen, aber es ist immer noch ein Wirbel und seine Gesamtenergie ist im Grunde dieselbe, nur etwas kleiner, weil der Kanal die hohe Geschwindigkeit verdrängt Ader.
@feetwet, außerdem, wenn Sie den Lüfter eines Turbofans meinen, besteht der Zweck des Kanals nicht darin, Wirbel zu beseitigen. Der Zweck besteht darin, die entgegenkommende Luft zu verlangsamen (durch Umwandlung ihrer kinetischen Energie in Druck (= potentielle Energie)), damit der Lüfter mit einer Strömungsgeschwindigkeit arbeiten kann, die er bewältigen kann (~ M0,5), und dann den Druck in der Düse wieder in kinetische Energie umwandelt .
Warum bevorzugen Hubschrauber keine kürzeren Rotoren mit mehr Blättern? [Duplikat]
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