Würde ein Koaxialpropeller mit der zweiten langsameren und größeren Schraube die Geschwindigkeit verbessern?

Ich denke, was Sie idealerweise tun möchten, ist, einen schnell rotierenden "inneren" Propeller und einen langsameren "äußeren" Propeller zu haben, oder tatsächlich einen Propeller, dessen Drehzahl allmählich von innen nach außen abnimmt. Das würde zwar cool aussehen, funktioniert aber nicht mit nicht flüssigen Materialien für den Rotor :o) Also, das Nächstbeste ist, zwei hintereinander zu haben, wobei sich der nachgeschaltete etwas langsamer dreht.

Wie ich deinen Vorschlag verstehe

Gegenläufige Propeller haben den Vorteil, dass der zweite die Strömung vom ersten "begradigen" kann und effektiv ähnlich (aber nicht ganz wie) ein Rotor / Stator-Paar in einem Turbostrahl arbeitet. Dadurch können sie mehr Leistung pro Rotorfläche übertragen als Einzelrotoren. Indem Sie den langsamer drehenden hinter sich lassen, hinterlässt dieses Paar weniger Wirbel in der Strömung als umgekehrt, was für mich nach einer guten Idee klingt.

Schwierigkeiten mit normal gegenläufigen Rotoren

In einem gegenläufigen Rotorpaar ist der zweite Rotor nicht nur dem mittleren Wirbel ausgesetzt, der von seinem stromaufwärtigen Partner kommt (für den er ausgelegt ist und der seine Wirksamkeit erhöhen kann), sondern auch den Drucksignaturen und Nachströmungen, die von jedem Blatt ausgehen . Jedes Mal, wenn eine Schaufel eine davon passiert, fällt der Staudruck an ihrer Vorderkante sehr stark ab und steigt dann wieder an. Das macht viel Lärm und verursacht auch Vibrationen in der Klinge, die dann stark genug gemacht werden muss, um damit fertig zu werden. Dies ist auch der Grund, warum die meisten dieser Rotoren geschwungene Blätter wie diese haben: ^{Antonov AN-70 mit geschwungenen, gegenläufigen Propellern; Bild von https://wordlesstech.com/revolutionary-airplane-propeller-action/}

Das bedeutet, dass zu keinem Zeitpunkt das gesamte Blatt des stromabwärtigen Rotors hinter einem stromaufwärtigen Blatt steht, sondern dieses allmählich durchläuft. Trotzdem müssen die Klingen ziemlich robust sein, was auch verhindert, dass sie sehr lang werden. Das wiederum schränkt die Möglichkeit ein, die Effizienz zu steigern, indem lange, schlanke Blätter hergestellt werden, die weniger Schub pro Rotorfläche erzeugen, dies aber im Radius ausgleichen (wie zum Beispiel Windturbinen). Das ist ein Grund, warum die meisten dieser Konfigurationen heutzutage in Militärflugzeugen zu sehen sind, wo große, elegante Propeller die Manövrierfähigkeit verringern würden, aber viel Schub benötigt wird, pronto. Außerdem sind diese Maschinen sowieso sehr robust gebaut, sodass die zusätzlichen Vibrationen verkraftet werden können. In einem Passagierflugzeug wäre allein der Lärm den Fluggesellschaften schwer zu verkaufen, aber auch die Entwicklung der mechanischen Komponenten wäre nicht einfach.

Das heißt: Diese Konzepte tauchen immer wieder auf, und es scheint, als ob es möglich und effizient sein sollte, gegenläufige Rotoren mit stark gepfeilten Blättern zu verwenden, um Turbofan-Triebwerke bei Geschwindigkeiten zu ersetzen, die für normale Propeller etwas hoch erscheinen würden (aber vielleicht ein bisschen niedrig für Turbofans). Hier sind zwei Quellen, die ich gerade gefunden habe und die Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie die Strömung aussieht und mit welchen Arten von aerodynamischen und akustischen Problemen die Designer zu kämpfen haben:

• Ein Papier aus dem Jahr 2014, das Design- und Forschungsaktivitäten zusammenfasst
• Folien aus einer Präsentation aus dem Jahr 2010 zur Strömungssimulation sowie zu Effizienz und Akustik - sehr schöne Bilder und eine gute Möglichkeit, sich ein Bild davon zu machen, wie eine Propellerströmung aussieht.

Das Problem mit einer größeren nachgeschalteten Stütze

Sie können auch in den obigen Referenzen sehen, dass die nachgeschalteten Klingen normalerweise kürzer sind als die vorgeschalteten Klingen. Der Grund ist, dass sonst die Spitzenwirbel des stromaufwärtigen Propellers auf den stromabwärtigen treffen würden, und das ist akustisch, aerodynamisch und strukturell nicht schön. Auch ohne diese Wirbel wäre es sinnvoll, da der nachgeschaltete Propeller so oder so mehr Vibrationen bekommt, also muss er robuster sein (kürzere, dickere Blätter helfen!). Ich denke, einige der bestehenden Konfigurationen (zum Beispiel der AN-70 oben) haben gleiche Klingenlängen, aber sie sind sehr bekannt dafür, laut zu sein, und jede neue zivile Anwendung kann das nicht haben.

Das jüngste Beispiel eines tatsächlich gebauten und getesteten gegenläufigen offenen Lüfters ist der offene SAFRAN-Rotor: ^{Foto von Eric Drouin / SAFRAN} SAFRAN behauptet, dass das Design mit Mach 0,8 fliegen kann und ungefähr so ​​laut ist wie ein vergleichbarer Turbofan-Motor von der vorherigen Generation (dh immer noch lauter als die neuesten Turbofans, aber auch nicht schrecklich). Wie Sie sehen können, ist auch der nachgeschaltete Rotor in dieser Konfiguration kürzer.

Lärm ist übrigens auch ein Grund, warum die meisten diskutierten Konfigurationen (mit einigen Ausnahmen, weil es immer gibt ...) am Rumpf montierte, nach hinten gerichtete Rotoren sind: Damit liegt die Hauptgeräuschquelle ein gutes Stück stromabwärts der Passagierkabine statt direkt neben ihren Fenstern (was mit normalen Requisiten schon laut genug ist, wie jeder Passagier in einem Saab 2000 bestätigen kann). Es hat auch den Vorteil, Unfälle zu verhindern, bei denen ein Blatt abbricht und die Passagierkabine trifft ...

Unter der Annahme, dass Ihre Frage keine Situationen wie den AN70 betrifft, in denen der Propeller so viel Kraft aufnehmen muss, dass beide Propeller so groß und solide wie möglich sein müssen, suchen wir nach der effizientesten Schubverteilung durch die Propellerscheibe . Sie möchten eine gleichmäßige Verteilung wie bei einem Flügel.

Der auf einem rotierenden Propellerblatt entwickelte Schub ist bei kleineren Radien geringer, wo die relative Geschwindigkeit langsamer ist. Der meiste Schub eines typischen Propellerblatts liegt im äußeren Drittel . Dies sieht so aus, als gäbe es eine Gelegenheit für ein anderes kleineres Blatt, zusätzlichen Schub in Richtung der Mitte zu liefern, um eine gleichmäßigere Verteilung über die Propellerscheibe zu erhalten.

Sie möchten jedoch nicht wirklich eine elliptische Auftriebsverteilung auf einem Blatt, wie Sie sie möglicherweise auf einem Flügel sehen, aus dem gleichen Grund, aus dem die innere Stütze nicht so viel Schub erzeugt. Die innere Stütze bewegt sich nicht so weit und hat weniger Volumen zum Füllen hinter der Stütze.

Was Sie wirklich sehen müssen, ist der Windschatten. Hier sehen Sie, dass das „Loch“ im Windschatten viel kleiner ist, als die Blattschubverteilung anzeigen würde, und ein Großteil davon wird von der Triebwerksgondel gefüllt. Da sind vielleicht fünf Prozent Verbesserung möglich. Eine Schubstütze mag anders sein, aber selbst dort nimmt das mittlere Viertel der Stütze nur sechs Prozent ihrer Fläche ein, was ihr Verbesserungspotenzial einschränkt.

Die Schlussfolgerung ist, dass die theoretische Effizienzverbesserung nicht das Gewicht und die Komplexität einer koaxialen Stütze rechtfertigt, bei der überschüssige Leistung keine Einschränkung darstellt.

Koaxiale, gegenläufige Propeller sind eine Möglichkeit, den Motorwirkungsgrad gegenüber einem einzelnen Propeller zu verbessern. Wenn Sie statische oder Prüfstandstests ohne Luftstrom in die Stützen durchführen, trägt die vordere Stütze mehr Last als die hintere (was möglicherweise zu dieser Frage geführt hat).

Festpropeller "entladen" sich etwas, sobald das Flugzeug in Bewegung kommt. Bei Modellen ist ein deutlicher Drehzahlanstieg zu hören. Dieser Effekt wird auch als „Windmilling“ bezeichnet.

Bei einem gegenläufigen Propeller gleichen sich daher die Belastungen der vorderen und hinteren Propeller im Flug besser aus.

Eine Zunahme des Gewichts und der Komplexität des Getriebes haben viele dazu veranlasst, vor dieser Konstruktion zurückzuschrecken, aber es ist eine interessante Studie, da leistungsstarke Elektromotoren mit viel höheren Drehzahlbereichen zum Einsatz kommen.

Gegenläufige Propeller haben möglicherweise einen besseren Wirkungsgrad als ein einzelner Propeller, da der Propwash „begradigt“ wird und die tangentiale Komponente des Luftstroms stark reduziert wird. Außerdem haben diese Propeller bei sehr hohen Motorleistungen auch den Vorteil, dass sie eine viel höhere Leistung aufnehmen können. Aber das ist alles...